авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Спиновые возбуждения и эпр сильно-коррелированных систем: купраты y1-yybyba2cu3o6+x и кондо-решётки ybrh2si2

-- [ Страница 1 ] --

111На правах рукописи

Вишина Алёна Андреевна

СПИНОВЫЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ЭПР СИЛЬНО-КОРРЕЛИРОВАННЫХ СИСТЕМ: КУПРАТЫ

Y1-yYbyBa2Cu3O6+x И КОНДО-РЕШЁТКИ YbRh2Si2

01.04.02 Теоретическая физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Казань-2012

Работа выполнена на кафедре теоретической физики Казанского (Приволжского) федерального университета

Научный руководитель:   доктор физико-математических наук,

профессор Кочелаев Борис Иванович

Официальные оппоненты:   доктор физико-математических наук,

профессор Жихарев Валентин Александрович

доктор физико-математических наук,

профессор Тагиров Ленар Рафгатович

Ведущая организация: Казанский физико-технический институт
им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН

Защита состоится 27 декабря 2012 г. в 14:30 на заседании диссертационного совета Д.212.081.15 при Казанском (Приволжском) федеральном университете по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке имени Н.И. Лобачевского Казанского (Приволжского) федерального университета.

Автореферат разослан ноября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д. ф.-м. н., профессор Ерёмин М. В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Предлагаемая вниманию читателя работа посвящена соединениям, которые обладают рядом чрезвычайно интересных свойств – соединениям с сильными электронными корреляциями. Одними из наиболее известных среди них являются высокотемпературные сверхпроводящие (ВТСП) купраты. Несмотря на огромное количество экспериментальных и теоретических работ, посвящённых этим соединениям, пока не существует общепринятой модели, объясняющей механизм возникновения в них сверхпроводимости.

В данной работе мы рассматриваем ВТСП купраты YBa2Cu3O6+x (YBCO), анализируя результаты одного из эффективных методов исследования локальной структуры и свойств таких соединений – электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). В качестве ЭПР-пробы используются ионы Yb3+, замещающие ионы иттрия (Y1-yYbyBa2Cu3O6+x), что практически не отражается на свойствах YBCO. Анализ изменения данных ЭПР [1] с допированием соединения кислородом позволяет нам изучить эволюцию свойств соединения.

Помимо ВТСП часть работы посвящена ещё одному интересному соединению с сильными электронными корреляциями – кондо-решётке с тяжёлыми фермионами YbRh2Si2. Соединение обладает рядом необычных свойств: это кондо-эффект, неферми-жидкостное поведение, аномальные температурные зависимости удельного сопротивления, восприимчивости и других характеристик. Оно привлекло особое внимание исследователей, когда в 2003 г. в нём был обнаружен сигнал ЭПР [2,3], что прежде считалось невозможным вследствие эффекта Кондо, приводящего к экранировке магнитных моментов электронами проводимости. Как и для соединения YBCO, мы изучаем свойства соединения на основе анализа данных ЭПР.



Цели работы и постановка задачи. Целью представленной работы в части, посвященной соединению YBCO, является изучение эволюции антиферромагнитного (АФ) состояния соединения с допированием его кислородом путём анализа характеристик спектров ЭПР при низком содержании кислорода и их изменения в процессе допирования.

В указанной части были поставлены следующие задачи: 1) Расчёт энергетических щелей антиферромагнитных спиновых волн плоскостей CuO2, возникающих вследствие диполь-дипольного взаимодействия ионов меди, лежащих в этих плоскостях и внешнего магнитного поля, используемого во всех экспериментах ЭПР; 2) Получение гамильтонианов взаимодействия ионов Yb3+ с АФ спиновыми волнами и косвенного спин-спинового взаимодействия ионов иттербия через поле магнонов; 3) Расчёт вклада последнего взаимодействия в характеристики спектров ЭПР и сравнение этого вклада с экспериментальными данными; 4) Анализ вклада релаксации магнитных моментов ионов Yb3+ вследствие их взаимодействия с ионами меди в ширину линии ЭПР, вклада этого взаимодействия в зависимость g-фактора от температуры и сравнение полученных результатов с экспериментальными данными; 5) Объяснение изменения характеристик спектров ЭПР при допировании соединения YBCO кислородом на основе модели расслоения его на области, где АФ порядок уже разрушен и те, где он ещё сохраняется.

Целью второй части работы, посвящённой кондо-решётке с тяжёлыми фермионами YbRh2Si2, было объяснение сужения линии ЭПР, компенсирующего вклады в ширину, превышающие её экспериментально полученное значение.

Здесь были поставлены задачи: 1) Расчёт стандартных вкладов в ширину линии вследствие диполь-дипольного взаимодействия ионов иттербия, РККИ-взаимодействия, несовершенств кристалла и сравнения их с экспериментальными данными; 2) Оценка сужения линии, к которому может привести диффузия f-электронов по узлам решётки.

Научная новизна результатов. С помощью анализа изменения спектров ЭПР по мере допирования соединения кислородом, из множества предлагаемых различными авторами [4,5] прежде сценариев искажения дальнего антиферромагнитного порядка плоскостей CuO2 выбран сценарий, наиболее адекватно объясняющий подобное изменение – формирование в соединении доменных стенок. Этим объяснено наличие в спектрах ЭПР двух линий. Кроме того, показано, какие взаимодействия дают вклад в ширину линии ЭПР в слабодопированном соединении, когда АФ в плоскостях CuO2 ещё сохраняется. Выводы об изменении вида спектров с изменением направления внешнего магнитного поля, а также полученная температурная зависимость g-фактора хорошо согласуются с экспериментальными данными. Кроме того, на основе анализа ширины линии ЭПР удалось оценить величину обменного взаимодействия между ионами иттербия и меди.

Для кондо-решётки YbRh2Si2 предложен возможный механизм сужения линии – диффузия f-электронов по узлам решётки. Показано, что в дополнение к механизму сужения, предложенному другими авторами [6] для уширения линии, вызванного кондо-взаимодействием, диффузия f-электронов также может привести к сужению линии, достаточному для компенсации вклада в ширину линии диполь-дипольного и РККИ-взаимодействия, который превышает ширину линии, наблюдаемую экспериментально.

Научная и практическая значимость результатов работы определяется востребованностью полученных результатов для развития теории свойств веществ с сильными электронными корреляциями и ВТСП, возможностью выбора сценария искажения АФ порядка плоскостей CuO2 (эллиптических доменных стенок) на основе экспериментальных данных, а не численного моделирования, как это делалось прежде.

Личный вклад автора. Постановка задач принадлежит научному руководителю. Все расчёты, проделанные с целью решения задач, и изложенные в диссертации, выполнены соискателем. Сравнение с экспериментальными результатами частично выполнялось совместно с научным руководителем. Экспериментальные данные были любезно предоставлены группами Х. Келлера (Институт физики Университета Цюриха, Швейцария) и Й. Зихельшмидта (институт Макса Планка, Дрезден, Германия).

Положения, выносимые на защиту:

  1. Для соединения YBCO получены гамильтонианы взаимодействия ионов Yb3+ с АФ спиновыми волнами плоскостей CuO2 и косвенного спин-спинового взаимодействия ионов иттербия через поле магнонов (взаимодействие Сула-Накамуры) в антиферромагнетике.
  2. Вычислены вклад в ширину линии ЭПР, обусловленный взаимодействием Сула-Накамуры и g-факторы линии при допировании соединения кислородом
jpg">, когда в плоскостях CuO2 сохраняется идеальный АФ порядок. Показано, что зависимость этого вклада от направления внешнего магнитного поля и значения g-факторов хорошо согласуются с экспериментальными данными.
  • Оценен вклад в ширину линии релаксации магнитных моментов ионов Yb вследствие их взаимодействия с АФ спиновыми волнами, получена зависимость g-факторов линии ЭПР от температуры, хорошо согласующаяся с экспериментальной.
  • Показано, что эволюция сигнала ЭПР с допированием соединения кислородом хорошо согласуется с представлением о фазовом расслоении в плоскостях CuO2 на области, богатые дырками, и области, где дырок нет, и АФ порядок ещё сохраняется. На основании экспериментальных данных показано, что образование эллиптических доменных стенок является наиболее вероятным сценарием искажения АФ порядка в плоскостях CuO2 с допированием YBCO кислородом.
  • Апробация работы. Результаты работы были представлены на семинарах кафедры теоретической физики Казанского федерального университета; итоговых конференциях по научно-исследовательской деятельности Казанского федерального университета за 2010 и 2011 гг.; доложены на международных конференциях: «Резонансы в конденсированных средах», Казань, Россия, 21-26.06.2011; «3rd International Workshop on Statistical Physics and Mathematics for Complex Systems SPMCS'2012», Казань, Россия, 25-30.08.2012.

    Данные исследования проведены при поддержке Министерства образования и науки РФ, Швейцарского национального научного фонда, гранта SCOPES № IZ73Z0_128242, а также в рамках госзадания КФУ 2012 г.

    Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 3 статьях и 2 тезисах конференций.

    Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы из 54 наименований. Работа изложена на 103 страницах, содержит 31 рисунок и 4 таблицы.

    Краткое содержание работы

    Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, формулируются задачи и цель исследования, даётся общее описание работы и её составных частей.

    Первая глава является обзорной и посвящена описанию основных свойств высокотемпературных сверхпроводников YBCO и кондо-решёток с тяжелыми фермионами YbRh2Si2. Особое внимание здесь уделяется эволюции свойств YBCO с допированием, а также механизмам разрушения антиферромагнитного состояния плоскостей CuO2, предлагаемым различными авторами. Отдельно описываются данные ЭПР для обоих соединений, поскольку именно спектры ЭПР будут анализироваться в последующих главах. Завершается глава описанием нескольких вычислительных методов, которые используются в дальнейшем.

    Прежде, чем перейти к рассмотрению эволюции свойств YBCO с допированием, в главах со второй по четвёртую мы рассматриваем соединение при допировании кислородом , когда в плоскостях CuO2 сохраняется чистый АФ порядок.

    Вторая глава посвящена расчёту энергетических щелей АФ спиновых волн в плоскостях CuO2, полученных благодаря учёту диполь-дипольного взаимодействия ионов меди и внешнего магнитного поля. Без учёта указанных взаимодействий подобные вычисления были проделаны в работе [7].

    Плоскости CuO2 в YBCO сгруппированы в пары и характеризуются огромным обменным интегралом для ионов меди, лежащих внутри плоскостей [8] , довольно сильным обменом между ионами лежащими в плоскостях, составляющих пару ( [8,9]), и слабым взаимодействием между ближайшими парами плоскостей ( [8,9]), которым в дальнейших расчётах мы пренебрегаем. Кроме того, в плоскостях имеется слабая анизотропия, равная [9].

    Для пары плоскостей CuO2 можно записать следующий гамильтониан обменного взаимодействия ионов меди

    23

    Символы a и b здесь относятся к двум антиферромагнитным подрешёткам, номера – к двум плоскостям CuO2, составляющим пару, пробегает по ионам меди, соседним с j-м.

    Чтобы учесть внешнее магнитное поле (которое используется для получения спектров ЭПР), мы предполагаем, что оно поворачивает магнитные моменты обеих магнитных подрешёток к направлению поля на малый угол (помимо основной составляющей моментов, перпендикулярной полю, возникает составляющая вдоль магнитного поля). В этом случае удобно сделать следующее преобразование, направив новые оси вдоль изменившегося направления намагниченности:





    4 5

    Кроме того, необходимо учесть зеемановскую энергию ионов меди

    67

    Здесь – g-фактор иона меди, – магнетон Бора, – внешнее магнитное поле.

    После поворота осей мы производим преобразование Холстейна-Примакова, которое позволяет перейти от спиновых операторов к бозе-операторам рождения и уничтожения частиц и согласно соотношениям [10]

    8 9

    и, кроме того, преобразование Фурье

    10 11

    Из условия минимума энергии для основного состояния спиновой системы (приравнивая к нулю коэффициент пли линейных слагаемых в полном гамильтониане ), получаем значение угла поворота магнитных моментов внешним полем

    12 13

    Затем мы диагонализуем полученный гамильтониан преобразованием Боголюбова [11]. Для этого переходим к новым операторам рождения и уничтожения частиц , полученным из уравнений вида . В результате имеем выражения для собственных значений энергий и собственных операторов четырёх мод АФ спиновых колебаний в плоскостях CuO2 – двух акустических и двух оптических:

    1) Акустические моды:

    1415

    16 17

    Здесь коэффициенты преобразования имеют следующий вид:

    1819

    2) Оптические моды:

    2021

    22 23

    с коэффициентами преобразования

    2425

    Таким образом, в отсутствие магнитного поля -мода в центре зоны и -мода в точке не имеют щелей. В результате учёта магнитного поля возникают энергетические щели, величина которых хоть и невелика , но сравнима с зеемановской энергией . - и -моды имеют существенно большие щели.

    Несмотря на то, что магнитное поле даёт вклад в значения энергетических щелей АФ спиновых волн в плоскостях CuO2, этот вклад мал. Это заставляет нас также оценить щели, возникающие вследствие учёта диполь-дипольного взаимодействия между ионами меди. Кроме того, известно, что основной вклад в акустические ветви определяется локальным полем, которое, в свою очередь, связано с диполь-дипольным взаимодействием. Спиновый гамильтониан диполь-дипольного взаимодействия имеет следующий вид (считаем, что выбрана форма образца, при которой вклад диполь-дипольного взаимодействия, зависящий от формы, не важен):

    2627

    Мы рассматриваем только второе слагаемое, поскольку первое по форме совпадает с изотропным обменным гамильтонианом, а по значению значительно меньше обменного .

    Наши расчёты показывают, что ближайшие соседи не дают вклад в энергетические щели, поэтому мы рассматриваем следующие за ними ионы меди. В этом случае диполь-дипольный гамильтониан имеет вид , где. В слагаемых вида присутствуют-36, где . В слагаемых вида присутствуют линейные члены. Чтобы исключить их мы производим поворот системы координат на угол : .

    Как и в случае внешнего магнитного поля мы используем преобразования Холстейна-Примакова (4) и Фурье (5). Тогда полный гамильтониан, состоящий из обменного и диполь-дипольного, учитывающего вторых ближайших соседей имеет вид:

    2829

    здесь , , а , .

    Для диагонализации гамильтониана, как и в случае магнитного поля, применим преобразование Боголюбова. Получаем выражения для собственных значений энергий:

    1) Акустические моды:

    3031

    32 33

    2) Оптические моды:

    3435

    36 37

    Можно видеть, что диполь-дипольне взаимодействие приводит к возникновению энергетических щелей, и -ветвь в центре зоны Бриллюэна , как и -мода в точке , теперь имеют щель, значение которой существенно превышает зеемановскую энергию . Таким образом, антиферромагнитный резонанс ионов меди для стандартных спектрометров ЭПР наблюдаться не может.

    В следующей, третьей главе, мы рассматриваем ионы Yb3+, лежащие между плоскостями CuO2. В частности, мы анализируем их взаимодействие с АФ спиновыми волнами в плоскостях, и косвенное взаимодействие ионов друг с другом через спиновые волны.

    Начнём с гамильтониана обменного взаимодействия иона Yb и восьми ближайших к нему ионов Cu2+, который можно записать в виде

    3839

    где – постоянная обменного взаимодействия, – спин j-ого иона Yb3+, n даёт суммирование по двум плоскостям.

    Как и в предыдущей главе, мы производим поворот координатных осей, чтобы направить ось x вдоль нового направления спинов меди (2), затем преобразования Холстейна-Примакова (4) и Фурье (5), и, наконец, с помощью преобразования Боголюбова переходим к новым операторам рождения и уничтожения (8) и (11), в результате чего гамильтониан взаимодействия ионов иттербия с АФ спиновыми волнами плоскостей CuO2 преобразуется к виду

    40 41

    где перенормированная зеемановская часть

    42 43

    линейное по магнонам слагаемое

    4445

    Квадратичное по магнонам слагаемое будет рассмотрено далее.

    Здесь – Фурье-преобразования для , – форм-факторы акустической и оптической мод

    4647

    Таким образом полный гамильтониан теперь можно переписать в виде:

    4849



    Pages:   |
    1
    | 2 | 3 |
     
    Авторефераты диссертаций  >>  Авторефераты по Физике

    Похожие работы:








    наверх


     
    <<  ГЛАВНАЯ   |   КОНТАКТЫ
    © 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

    Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
    Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.