Особливості магнітних фазових переходів у сильно корельованих та низьковимірних електронних системах - Автореферат

У сучасній фізиці магнітних явищ велика кількість досліджень присвячена фазовим перетворенням, як чисто магнітним, так і таким фазовим переходам, які стосуються поряд з магнітною підсистемою досліджуваного обєкта і його пружної підсистеми або інших електронних ступенів свободи (наприклад, зарядів і т.п.). До цієї групи систем відносяться речовини, у яких енергія кулоновскої взаємодії електронів, як між собою, так і з ядрами атомів або іонів, а також енергія взаємодії електронів із пружною підсистемою досліджуваного обєкта виявляється одного порядку або сильніше, ніж характерна енергія вільних електронів провідності (ширина зони електронів провідності або їхня характерна енергія Фермі). Вивчення магнітних фазових перетворень у сильно корельованих електронних системах і низьковимірних квантових спінових системах тісно повязано з проблемами загальної теорії фазових переходів у фізиці конденсованого стану. У звязку з особливою роллю квантових флуктуацій у сильно корельованих і низьковимірних системах, особливо з домішками, (зокрема, у дисертаційній роботі ми досліджували випадок “ультраквантових” спінових систем S=1/2) у роботі використовувалися для опису таких систем строгі квантово-механічні методи. Для цих систем з перших принципів знайдені функції розподілу ефективних температур Кондо, що визначають характер поведінки ансамблів неупорядкованих магнітних домішок у цих речовинах, а також визначено, як магнітні домішки можуть впливати на температуру фазових переходів таких систем у магнітовпорядкованний стан.У першому розділі “Низькотемпературна термодинаміка спінового ланцюжка Гейзенберга з немагнітними домішками заміщення” обчислені низькотемпературна магнітна сприйнятливість і теплоємність спінового антиферомагнитного ланцюжка Гейзенберга з немагнітними домішками заміщення, які розривають ланцюжок. Показано, що магнітна сприйнятливість і теплоємність вільних кінців відкритого ланцюжка поводяться зі зміною температури принципово відмінно від поведінки таких спінових ланцюжків без немагнітних домішок. Останнє рівняння означає, що низькотемпературний коефіцієнт Зоммерфельда теплоємності розходиться з пониженням температури як Відзначимо, що подібне поводження низькотемпературної магнітної сприйнятливості спостерігалося в експериментах я у квазіодновимірних сполуках міді. Саме в таких системах виявляється ефект Кондо для малої концентрації магнітних домішок (локалізованих електронів у магнітному стані). Визначаючи змінні, як і ми знайшли розподіл температур Кондо у виді для трьох-, двох-й одновимірного випадків, відповідно, де - константи нормування, - параметр енергії домішок, U - константа відштовхування Кулона, - щільності станів електронів провідності на рівні Фермі, та а - радіус Бора.Проведені дослідження особливостей магнітних фазових переходів у сильно корельованих і низьковимірних системах при низьких температурах, а також в основному стані дозволяють сформулювати наступні основні результати і висновки дисертаційної роботи: Аналіз низькотемпературних термодинамічних характеристик (магнітної сприйнятливості, ентропії і теплоємності) квантового антиферомагнитного ланцюжка Гейзенберга спінів 1/2 із немагнітними домішками заміщення (допування якими призводить до розриву спінового ланцюжка), який проведено за допомогою точного квантово-механічного методу анзатца Бете, дозволяє пояснити причини розходимостей магнітної сприйнятливості і низькотемпературного коефіцієнта Зоммерфельда, як функцій температури, що спостерігалися в ході експериментів, проведених з сполукою Sr2CUO3. Визначено залежності намагніченості і магнітної сприйнятливості країв відкритого антиферомагнитного спінового ланцюжка Гейзенберга від прикладеного зовнішнього магнітного поля в основному стані і від температури (при низьких температурах), а також знайдений внесок вільних кінців спінового ланцюжка в низькотемпературну ентропію і теплоємність системи. Для електронних систем, що мають властивість не-Фермі-рідин, а також для квантових спінових антиферомагнитних ланцюжків, що містять ансамблі невпорядкованих магнітних домішок, виведені функції розподілу ефективних температур Кондо, які дозволяють одержати термодинамічні характеристики, що враховують поводження магнітних домішок у таких системах, а також обчислені термодинамічні характеристики цих систем. Проведено аналіз можливості переходу в магнитовпорядкований стан квазіодновимірних квантових спінових систем (при слабкій взаємодії між ланцюжками) і сполук рідкісноземельних металів, що мають властивості не-Фермі-рідинних систем (при слабкій взаємодії між домішками) у залежності від характеру розподілу характеристик магнітних домішок. Побудовано теоретичну модель бездомішкової квазіодновимірної антиферомагнитної спінової системи, повязаної з пружною підсистемою речовини, у якій фаза з подвоєнням періоду спінових ланцюжків (спін-Пайерлс фаза) може співіснувати з антиферомагнитною упорядкованою фазою при ненульових температурах.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

Проведені дослідження особливостей магнітних фазових переходів у сильно корельованих і низьковимірних системах при низьких температурах, а також в основному стані дозволяють сформулювати наступні основні результати і висновки дисертаційної роботи: Аналіз низькотемпературних термодинамічних характеристик (магнітної сприйнятливості, ентропії і теплоємності) квантового антиферомагнитного ланцюжка Гейзенберга спінів 1/2 із немагнітними домішками заміщення (допування якими призводить до розриву спінового ланцюжка), який проведено за допомогою точного квантово-механічного методу анзатца Бете, дозволяє пояснити причини розходимостей магнітної сприйнятливості і низькотемпературного коефіцієнта Зоммерфельда, як функцій температури, що спостерігалися в ході експериментів, проведених з сполукою Sr2CUO3. Визначено залежності намагніченості і магнітної сприйнятливості країв відкритого антиферомагнитного спінового ланцюжка Гейзенберга від прикладеного зовнішнього магнітного поля в основному стані і від температури (при низьких температурах), а також знайдений внесок вільних кінців спінового ланцюжка в низькотемпературну ентропію і теплоємність системи.

Для електронних систем, що мають властивість не-Фермі-рідин, а також для квантових спінових антиферомагнитних ланцюжків, що містять ансамблі невпорядкованих магнітних домішок, виведені функції розподілу ефективних температур Кондо, які дозволяють одержати термодинамічні характеристики, що враховують поводження магнітних домішок у таких системах, а також обчислені термодинамічні характеристики цих систем. Побудовано графіки функцій розподілу температур Кондо.

Проведено аналіз можливості переходу в магнитовпорядкований стан квазіодновимірних квантових спінових систем (при слабкій взаємодії між ланцюжками) і сполук рідкісноземельних металів, що мають властивості не-Фермі-рідинних систем (при слабкій взаємодії між домішками) у залежності від характеру розподілу характеристик магнітних домішок. Показано, що сильне безладдя в розподілі констант взаємодії домішка-матриця призводить до магнітного впорядкування цих систем при ненульових температурах. Оцінено температури фазового переходу в магнітовпорядкованний стан.

Побудовано теоретичну модель бездомішкової квазіодновимірної антиферомагнитної спінової системи, повязаної з пружною підсистемою речовини, у якій фаза з подвоєнням періоду спінових ланцюжків (спін-Пайерлс фаза) може співіснувати з антиферомагнитною упорядкованою фазою при ненульових температурах.

Отримано рівняння, що визначають температуру переходу типу спін-Пайерлс у цій системі, і проаналізовані графічні рішення цих рівнянь. Знайдено формули, що визначають температуру переходу системи таких ланцюжків, слабко повязаних між собою, в антиферомагнитний впорядкований стан, а також проаналізоване графічне рішення знайдених рівнянь. У рамках побудованої моделі є можливим якісно пояснити дані магнітних експериментів, проведених з органічною квазіодновимірною речовиною p-CYDOV.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Zvyagin A. A , Makarova A.V. Neel temperature for undoped spin-Peierls quasi-one-dimensional model // J. Phys.: Condensed Matter. - 2004, V.16, №15, P.2673-2680.

2. Zvyagin A.A., Makarova A.V. Low temperature behavior of disordered magnetic impurities: Distribution of effective Kondo temperatures // ФНТ. - 2004, Т.30, №6, С.639-643.

3. Zvyagin A.A., Makarova A.V. Bethe ansatz study of the low temperature thermodynamics of an open Heisenberg chain // Phys. Rev. B. - 2004, V.69, №21, P.214430 (1-5).

4. Zvyagin A.A., Makarova A.V. Magnetic ordering caused by a disorder in qusi-one-dimensional spin systems and non-Fermi-liquid systems // ФНТ. - 2004, Т.30, №10, С.1095-1097.

5. Zvyagin A.A., Makarova A.V. Disordered ensembles of impurities in antiferromagnetic quantum spin chains // У сб. Київська Боголюбівська конференція “Сучасні проблеми математики та теоретичної фізики” - тез. докл.- 2004.- Київ-С.106.

6. Zvyagin A. A., Makarova A. V. Exact results for non-Fermi-liquid behavior of disordered magnetic impurities in metals and correlated electron chains // Abstracts of Internat. Conf. Strongly Correlated Electron Systems -Karlsruhe.-2004. TH-TCE2-122 -P.244.