25 марта 2022

В ПИЯФ проведены новые исследования природы магнитных взаимодействий

Стипендия НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ на 2022 год имени Г. М. Драбкина за работы в области физики конденсированного состояния присуждена младшему научному сотруднику лаборатории исследования материалов Отдела исследования конденсированного состояния Отделения нейтронных исследований Анне Суслопаровой за работу «Изучение особенностей кристаллической структуры и спинового состояния семейства теллуратов A2MnTeO6 (A = Li, Na, Ag, Tl) методом нейтронной дифракции».

Работа посвящена изучению фрустрированного магнетизма, в частности – исследованию природы магнитных взаимодействий, приводящих к формированию обнаруженных основных квантовых состояний магнитных структур при помощи методов нейтронной и синхротронной дифракции.

В низкоразмерных и одновременно фрустрированных магнетиках могут формироваться сильно скоррелированные, но не упорядоченные состояния, относящиеся к классу состояний «спиновая жидкость». Спин-жидкостные состояния, возникающие в идеальных теоретических моделях, в реальных магнетиках могут оказываться неустойчивыми из-за присутствия различных слабых взаимодействий (одноионной анизотропии, анизотропных спин-спиновых взаимодействий, взаимодействий далёких соседей, спин-решеточных связей или структурных искажений), что может приводить к появлению богатых фазовых диаграмм и неожиданных фазовых переходов. Эти вопросы последние годы очень активно изучаются в современной физике конденсированного состояния. Огромный интерес представляют объемные образцы со слоистой кристаллической структурой, где магнитоактивные слои чередуются с немагнитными. Отдельный слой в таких системах можно рассматривать как естественный квазидвумерный объект, так как межслоевое взаимодействие достаточно мало по сравнению со корреляциями внутри слоя. Благодаря этому объект становится интересным для изучения квантового поведения на реальных системах без влияния граничных условий. Например, кристаллическая структура P3 ̅1c соединений A2MnTeO6 (A = Li, Na, Ag, Tl), принадлежащих к семейству слоистых теллуратов с сотообразной (типа графена) кристаллической и магнитной решеткой, основанной на треугольном расположении всех катионов в параллельных слоях, что при возникновении в системе антиферромагнитного типа упорядочения может привести к конфликту ближайших взаимодействий.

Нейтронографические исследования проводились на источнике нейтронов SINQ в Институте Пауля Шеррера (PSI, Швейцария) с использованием двух различных порошковых дифрактометров: тепловых (HRPT) и холодных (DMC) нейтронов. Были проведены симметрийный и полнопрофильный анализы для построения спиновой структуры всех составов в основном состоянии: определены тип магнитной структуры, магнитная Шубниковская группа, вектора распространения, направления и величины магнитных моментов. Также исследовались статические и динамические свойства теллуратов комбинацией измерений температурных и полевых зависимостей намагниченности, теплоемкости, электронного спинового резонанса и ядерно-магнитного резонанса, которые показывают двумерный магнитный характер в широком диапазоне температур выше точки Нееля. Подтверждение двумерной картины магнетизма было получено из магнитной теплоемкости и критической расходимости ширины линии ЭПР.

Без точного знания типов спиновых упорядочений невозможно правильно проанализировать все механизмы магнитных взаимодействий и, соответственно, объяснить полученные магнитные свойства и прогнозировать их направленное изменение. Поэтому, в результате исследования были определены и описаны спиновые конфигурации тригонально-слоистых теллуратов Li2MnTeO6, Na2MnTeO6 и Ag2MnTeO6 и проведено сравнение их характеристик. Магнитное упорядочение при температуре 1.6 К в соединении Tl2MnTeO6 обнаружено не было.

Сравнительное исследование выявило важный аспект влияния межслойной связи на магнетизм в слоистых квазидвумерных магнетиках с фрустрированным взаимодействием внутри слоев в случае, когда магнитные ионы образуют треугольную антиферромагнитную структуру. Небольшие вариации межслоевых обменных взаимодействий приводят к качественному изменению основного магнитного состояния, что приводит к разным спиновым порядкам. Спиновый порядок в основном состоянии Li2MnTeO6 описывается вектором распространения (1/3 1/3 0). Магнитная структура образована шахматным расположением 120° треугольников с меняющимся направлением спинов в соседних слоях от «внутрь» треугольника на «извне». В Na2MnTeO6 и Ag2MnTeO6 также реализуется треугольный 120° порядок расположения спинов, но отличается от соединения с литием вектором распространения (1/3 1/3 1/3). В них образуется спиновый геликоид вдоль кристаллографического направления c с одинаковыми направлениями спинов, направленными от центра треугольника в соседних слоях.

В итоге исследование семейства тригонально-слоистых теллуратов обеспечивает уникальную возможность настройки параметров межслойного обменного взаимодействия, оставляя практически нетронутыми параметры магнитного обмена в слоях. Наиболее важным в этом отношении является тот факт, что изменение межслоевого расстояния влияет на соотношение межслоевых обменов между ближайшими соседями и следующими за ближайшими соседями.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках гранта № 18-12-00375