Топологические фазовые переходы в состояния с низкой и высокой плотностью 2D-вихревых пар, индуцированные магнитным полем в бесщелевой квантовой спиновой жидкости со структурным беспорядком

В системе (Sm₁₋yGdy) ₀,₅₅Sr₀,₄₅MnO₃ установлен непрерывный переход от 3D-ферромагнитного состояния спинов марганца в исходном образце с у = 0 к зигзагообразному АФМ-упорядочению спинов СЕ-типа в ab-плоскостях для у = 0,5, сосуществующему в образцах с у = 0,5, 0,6 и 0,7 при температурах ниже TN ≈...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2017
Hauptverfasser:	Буханько, Ф.Н., Буханько, А.Ф.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2017
Schriftenreihe:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/130027
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Топологические фазовые переходы в состояния с низкой и высокой плотностью 2D-вихревых пар, индуцированные магнитным полем в бесщелевой квантовой спиновой жидкости со структурным беспорядком / Ф.Н. Буханько, А.Ф. Буханько // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2017. — Т. 15, № 1. — С. 1-13. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-130027
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1300272018-02-05T03:02:51Z Топологические фазовые переходы в состояния с низкой и высокой плотностью 2D-вихревых пар, индуцированные магнитным полем в бесщелевой квантовой спиновой жидкости со структурным беспорядком Буханько, Ф.Н. Буханько, А.Ф. В системе (Sm₁₋yGdy) ₀,₅₅Sr₀,₄₅MnO₃ установлен непрерывный переход от 3D-ферромагнитного состояния спинов марганца в исходном образце с у = 0 к зигзагообразному АФМ-упорядочению спинов СЕ-типа в ab-плоскостях для у = 0,5, сосуществующему в образцах с у = 0,5, 0,6 и 0,7 при температурах ниже TN ≈ 48,5 К с неупорядоченной фазой типа квантовой фазы Гриффитса. У системі (Sm₁₋yGdy) ₀,₅₅Sr₀,₄₅MnO₃ встановлено неперервний перехід від 3D-феромагнетного стану спінів Манґану в первинному зразку з у = 0 до зиґзаґоподібного АФМ-впорядкування спінів СЕ-типу в ab-площинах для у = 0,5, яке співіснує у зразках з у = 0,5, 0,6 и 0,7 при температурах нижче TN ≈ 48,5 К з невпорядкованою фазою типу Ґриффітсової квантової фази. In the (Sm₁₋yGdy) ₀,₅₅Sr₀,₄₅MnO₃ system, it is determined continuous transition from a 3D ferromagnetic state of manganese spins in the initial sample with у = 0 to zigzag AFM spin ordering of a CE-type in ab-planes for у = 0.5, co-existing with a disordered phase of quantum Griffiths phase type in samples with у = 0.5, 0.6 and 0.7 at temperatures below TN ≈ 48.5 K. 2017 Article Топологические фазовые переходы в состояния с низкой и высокой плотностью 2D-вихревых пар, индуцированные магнитным полем в бесщелевой квантовой спиновой жидкости со структурным беспорядком / Ф.Н. Буханько, А.Ф. Буханько // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2017. — Т. 15, № 1. — С. 1-13. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1816-5230 PACS: 03.65.Vf, 03.75.Lm, 75.30.Kz, 75.47.Gk, 75.47.Lx, 75.50.Ee, 75.60.Ej http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/130027 ru Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	В системе (Sm₁₋yGdy) ₀,₅₅Sr₀,₄₅MnO₃ установлен непрерывный переход от 3D-ферромагнитного состояния спинов марганца в исходном образце с у = 0 к зигзагообразному АФМ-упорядочению спинов СЕ-типа в ab-плоскостях для у = 0,5, сосуществующему в образцах с у = 0,5, 0,6 и 0,7 при температурах ниже TN ≈ 48,5 К с неупорядоченной фазой типа квантовой фазы Гриффитса.
format	Article
author	Буханько, Ф.Н. Буханько, А.Ф.
spellingShingle	Буханько, Ф.Н. Буханько, А.Ф. Топологические фазовые переходы в состояния с низкой и высокой плотностью 2D-вихревых пар, индуцированные магнитным полем в бесщелевой квантовой спиновой жидкости со структурным беспорядком Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet	Буханько, Ф.Н. Буханько, А.Ф.
author_sort	Буханько, Ф.Н.
title	Топологические фазовые переходы в состояния с низкой и высокой плотностью 2D-вихревых пар, индуцированные магнитным полем в бесщелевой квантовой спиновой жидкости со структурным беспорядком
title_short	Топологические фазовые переходы в состояния с низкой и высокой плотностью 2D-вихревых пар, индуцированные магнитным полем в бесщелевой квантовой спиновой жидкости со структурным беспорядком
title_full	Топологические фазовые переходы в состояния с низкой и высокой плотностью 2D-вихревых пар, индуцированные магнитным полем в бесщелевой квантовой спиновой жидкости со структурным беспорядком
title_fullStr	Топологические фазовые переходы в состояния с низкой и высокой плотностью 2D-вихревых пар, индуцированные магнитным полем в бесщелевой квантовой спиновой жидкости со структурным беспорядком
title_full_unstemmed	Топологические фазовые переходы в состояния с низкой и высокой плотностью 2D-вихревых пар, индуцированные магнитным полем в бесщелевой квантовой спиновой жидкости со структурным беспорядком
title_sort	топологические фазовые переходы в состояния с низкой и высокой плотностью 2d-вихревых пар, индуцированные магнитным полем в бесщелевой квантовой спиновой жидкости со структурным беспорядком
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2017
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/130027
citation_txt	Топологические фазовые переходы в состояния с низкой и высокой плотностью 2D-вихревых пар, индуцированные магнитным полем в бесщелевой квантовой спиновой жидкости со структурным беспорядком / Ф.Н. Буханько, А.Ф. Буханько // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2017. — Т. 15, № 1. — С. 1-13. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv	AT buhanʹkofn topologičeskiefazovyeperehodyvsostoâniâsnizkojivysokojplotnostʹû2dvihrevyhparinducirovannyemagnitnympolemvbesŝelevojkvantovojspinovojžidkostisostrukturnymbesporâdkom AT buhanʹkoaf topologičeskiefazovyeperehodyvsostoâniâsnizkojivysokojplotnostʹû2dvihrevyhparinducirovannyemagnitnympolemvbesŝelevojkvantovojspinovojžidkostisostrukturnymbesporâdkom
first_indexed	2025-07-09T12:43:21Z
last_indexed	2025-07-09T12:43:21Z
_version_	1837173314039054336
fulltext	1 PACS numbers: 03.65.Vf, 03.75.Lm, 75.30.Kz, 75.47.Gk, 75.47.Lx, 75.50.Ee, 75.60.Ej Топологические фазовые переходы в состояния с низкой и высокой плотностью 2D-вихревых пар, индуцированные магнитным полем в бесщелевой квантовой спиновой жидкости со структурным беспорядком Ф. Н. Буханько, А. Ф. Буханько Донецкий физико-технический институт им. А. А. Галкина НАН Украины, просп. Науки, 46, 03028 Киев, Украина В системе (Sm1yGdy)0,55Sr0,45MnO3 установлен непрерывный переход от 3D-ферромагнитного состояния спинов марганца в исходном образце с у0 к зигзагообразному АФМ-упорядочению спинов СЕ-типа в ab- плоскостях для у0,5, сосуществующему в образцах с у 0,5, 0,6 и 0,7 при температурах ниже TN48,5 К с неупорядоченной фазой типа квантовой фазы Гриффитса. При дальнейшем росте концентрации га- долиния происходит плавление зигзагообразной АФМ-структуры СЕ- типа, что приводит к появлению в Gd0,55Sr0,45MnO3 в области темпера- тур, близкой к абсолютному нулю, необычной фазы с характерными признаками бесщелевой Z2-квантовой спиновой жидкости в нулевом внешнем магнитном поле. Скачкообразные изменения изотерм намаг- ничивания, измеренных при 4,2 К в интервале полей 75 кЭ, объясне- ны квантовыми фазовыми переходами Z2-спиновой жидкости в фазу с топологическим порядком в слабых магнитных полях и поляризован- ную фазу в сильных полях. Существенная разница критических полей и величины скачков намагниченности в изотермах свидетельствует о возникновении гистерезисных явлений в процессах намагничивания– размагничивания квантовой спиновой жидкости, вызванных различием процессов локализации–делокализации 2D-вихревых пар, индуциро- ванных магнитным полем в квантовой спиновой жидкости с беспоряд- ком. У системі (Sm1уGdу)0,55Sr0,45MnO3 встановлено неперервний перехід від 3D-феромагнетного стану спінів Манґану в первинному зразку з у0 до зиґзаґоподібного АФМ-впорядкування спінів СЕ-типу в ab-площинах для у0,5, яке співіснує у зразках з у 0,5, 0,6 и 0,7 при температу- рах нижче TN48,5 К з невпорядкованою фазою типу Ґриффітсової квантової фази. При подальшому зростанні концентрації Ґадолінію від- бувається топлення зиґзаґоподібної АФМ-структури СЕ-типу, що при- Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosistemi, Nanomateriali, Nanotehnologii 2017, т. 15, № 1, сс. 1–13  2017 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 2 Ф. Н. БУХАНЬКО, А. Ф. БУХАНЬКО водить до появи у Gd0,55Sr0,45MnO3 в області температур, близькій до абсолютного нуля, незвичайної фази з характерними ознаками безщі- линної Z2-квантової спінової рідини в нульовому зовнішньому магнет- ному полі. Стрибкоподібні зміни ізотерм магнетування, виміряних при 4,2 К в інтервалі полів 75 кЕ, пояснено квантовими фазовими перехо- дами Z2-спінової рідини у фазу з топологічним порядком у слабких ма- гнетних полях і поляризовану фазу в сильних полях. Істотна ріжниця критичних полів і величини стрибків намагнетованости в ізотермах свідчить про виникнення гістерезних явищ у процесах магнетування– знемагнетування квантової спінової рідини, викликаних ріжницею процесів локалізації–делокалізації 2D-вихрових пар, індукованих маг- нетним полем у квантовій спіновій рідині зі структурним безладом. In the (Sm1уGdу)0.55Sr0.45MnO3 system, it is determined continuous transi- tion from a 3D ferromagnetic state of manganese spins in the initial sam- ple with у0 to zigzag AFM spin ordering of a CE-type in ab-planes for у0.5, co-existing with a disordered phase of quantum Griffiths phase type in samples with у0.5, 0.6 and 0.7 at temperatures below TN48.5 K. At the further growth of gadolinium concentration, there is a melting of zigzag AFM structure of a СЕ-type that leads to occurrence of an unu- sual phase with characteristic signs of a gapless Z2 quantum spin liquid in Gd0.55Sr0.45MnO3 in the region of temperatures near absolute zero in a zero external magnetic field. The stepwise changes of isotherms of the magnet- ization measured at 4.2 K in the range 75 kOe of fields are explained by quantum phase transitions of a Z2 spin liquid into the phase with topolog- ical order in weak magnetic fields and the polarized phase in strong fields. The essential difference of critical fields and size of jumps of mag- netization in isotherms testifies to existence of the hysteretic phenomena in processes of magnetization–demagnetization of the quantum spin liquid caused by different nature of localization–delocalization of the 2D vortex pairs induced by a magnetic field in a quantum spin liquid with the disor- der. Ключевые слова: квантовая спиновая жидкость, топологические фазо- вые переходы, вихри. Ключові слова: квантова спінова рідина, топологічні фазові переходи, вихорі. Key words: quantum spin liquid, topological phase transitions, vortices. (Получено 12 декабря 2016 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Квантовые спиновые жидкости (КСЖ) являются основными со- стояниями фрустрированных квантовых магнетиков, в которых локальные моменты сильно коррелированы, но всё ещё флуктуи- ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В СОСТОЯНИЯ 2D-ВИХРЕВЫХ ПАР 3 руют вплоть до нуля температур. Сильные квантовые флуктуа- ции коррелированных спинов вблизи абсолютного нуля темпера- тур препятствуют их «замораживанию» в магнитную структуру и обычные классические фазовые переходы в КСЖ становятся не- возможными. В работе Китаева [1] впервые была построена ко- личественная модель так называемой Z2-квантовой спиновой жидкости (спиновая жидкость с локальным Z2-магнитным пото- ком в элементарной ячейке) для спинов S1/2, расположенных в узлах квазидвумерной гексагональной решётки. Китаевский гамильтониан КСЖ описывает как щелевую, так и бесщелевую Z2-спиновую жидкости, которым соответствуют дробные возбуж- дения анионов. Согласно предложенной Китаевым модели, суще- ствует сильный анизотропный (NN) обмен между спинами в ближайшем окружении узлов в простой изинговской форме, но в связи с тем, что различные связи используют различные компо- ненты спинов, основное магнитное состояние системы становится сильно фрустрированным. В этом случае, основное магнитное со- стояние неупорядоченно по спину и поддерживает существование квантовых магнитных возбуждений в виде квазидвумерных вих- рей. Однако возникающие при этом спин-спиновые корреляции являются короткодействующими и ограничиваются образованием NN-пар. В работе [2] в рамках модели Гейзенберга–Китаева (ГК) был исследован расширенный ГК-спин-гамильтониан, описывающий взаимодействие между магнитными моментами ионов Ir4 с силь- ным спин-орбитальным взаимодействием в семействе слоистых окислов иридия (Li,Na)IrO3, который имеет свойства характерные как для классической гейзенберговской модели (изотропный об- мен), так и квантовой китаевской модели (сильно анизотропный обмен). Предполагается, что изотропное гейзенберговское взаи- модействие в окислах иридия конкурирует с сильно анизотроп- ными китаевскими связями. В расширенном спин-гамильтониане изотропный гейзенберговский член играет роль антиферромаг- нитной связи, тогда как анизотропный китаевский обмен соот- ветствует ферромагнитной связи. Анализ показал возможность существования фазы типа КСЖ вблизи китаевского предела и классического неелевского состояния магнитных моментов, рас- положенного близко к гейзенберговскому пределу. Две фазы раз- делены необычным страйп-подобным АФМ-состоянием, которое является промежуточным между двумя пределами. В настоящее время простейшими методами идентификации и эксперимен- тального изучения необычных свойств спиновых жидкостей яв- ляются измерения вблизи абсолютного нуля температур темпера- турных зависимостей ac-магнитной восприимчивости в широком диапазоне частот, температурных зависимостей теплоёмкости и 4 Ф. Н. БУХАНЬКО, А. Ф. БУХАНЬКО полевых зависимостей dc-намагниченности образцов в широком интервале значений измерительного поля. Хорошо известно, что вблизи абсолютного нуля температур магнитная восприимчивость (T) щелевой квантовой спиновой жидкости имеет широкий мак- симум, соответствующий области температур, в которой усред- нённые постоянные связи между спинами и тепловые возбужде- ния имеют близкие значения, и обращается в ноль вблизи T 0 К. В то же время, магнитная восприимчивость бесщелевой спи- новой жидкости имеет характерную кюри-вейссовскую расходи- мость вблизи абсолютного нуля температур. Несмотря на ряд экспериментальных исследований природы основного магнитного состояния в окислах (Li,Na)IrO3 [3, 4], в настоящее время вопрос о возможности существовании КСЖ в окислах иридия остаётся открытым. В данной работе были исследованы магнитные фазовые пре- вращения в системе (Sm1yGdy)0,55Sr0,45MnO3 (0y1), вызванные изменениями состава образцов, температуры и напряжённости внешнего магнитного поля. Проведён анализ особенностей темпе- ратурных зависимостей ac-магнитной восприимчивости ac(T) об- разцов керамики Gd0,55Sr0,45MnO3, измеренных на разных часто- тах в интервале температур 4,2–100 К и сингулярностей серии изотерм dc-намагниченности М(Н), полученных при 4,2 К в ре- зультате последовательных изменений напряжённости внешнего магнитного поля в интервале 70 кЭ. Предполагается, что рост концентрации гадолиния в (Sm1yGdy)0,55Sr0,45MnO3 при y0,7 при- водит к плавлению квазидвумерной зигзагообразной АФМ- структуры СЕ-типа в ab-плоскостях. В Gd0,55Sr0,45MnO3 в области температур, близких к абсолютному нулю, впервые обнаружены признаки сосуществования бесщелевой Z2-квантовой спиновой жидкости в нулевом внешнем магнитном поле и неупорядоченно- го спин-стекольного состояния спинов марганца. С ростом напряжённости внешнего магнитного поля происходят фазовые переходы I рода бесщелевой КСЖ в состояние с топологическим порядком 2D-вихрей малой плотности и поляризованную фазу с высокой плотностью 2D-вихрей, индуцированных магнитным по- лем. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА В данной работе образцы системы (Sm1yGdy)0,55Sr0,45MnO3 (y0, 0,5, 0,6, 0,7, 1) были приготовлены в одинаковых условиях с це- лью избежать влияния побочных эффектов на результаты экспе- римента в виде таблеток диаметром 6 мм и толщиной 1,2 мм. Исходный образец, соответствующий концентрации Gd у 0, имел орторомбическую структуру Pbnm c близкими параметрами ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В СОСТОЯНИЯ 2D-ВИХРЕВЫХ ПАР 5 а, b, c/25,45 Å. C увеличением содержания примеси Gd до значения у 1 орторомбические искажения кристаллической ре- шётки незначительно уменьшались. Температурные зависимости ac-магнитной восприимчивости ac(T) были измерены на частотах f 1, 5, 7 и 10 кГц в интервале температур 4,2–100 К с помощью промышленной установки PPMS-10 в измерительном поле h 17 Э. Полевые зависимости dc-намагниченности M(H) измерялись в интервале температур 4,2–300 К в dc-магнитных полях напря- жённостью до 75 кЭ с помощью вибрационного магнитометра VSM EGG, Princeton Applied Research при 4,2 К. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Исходный образец системы (Sm1yGdy)0,55Sr0,45MnO3 (у 0) испыты- вал с понижением температуры фазовый переход первого рода в ферромагнитное состояние с критической температурой Tc 130 К. Рост концентрации гадолиния до значения у 0,5 привёл к разрушению коллинеарной ФМ-структуры спинов марганца. Как видно из рис. 1, для образцов керамики (Sm0,5Gd0,5)0,55Sr0,45MnO3 в нулевом внешнем магнитном поле наблюдается не зависящий от частоты измерения острый пик ас-магнитной восприимчивости вблизи температуры TN48,5 К с небольшим температурным ги- стерезисом, характерный для фазового перехода из парамагнит- ного в антиферромагнитное состояние спинов марганца СЕ-типа с дальнодействующим зарядовым упорядочением при температурах ниже критических температур TCOTN. При температурах ниже 20 К при дальнейшем понижении температуры до 4,2 К наблюда- ется Кюри-подобный рост ac-магнитной восприимчивости ac(T). Рис. 1. Температурные зависимости магнитной восприимчивости ac(T) керамики (Sm0,5Gd0,5)0,55Sr0,45MnO3, полученные в ac-поле h 17 Э на ча- стотах 1 и 7 кГц.1 6 Ф. Н. БУХАНЬКО, А. Ф. БУХАНЬКО Суперпозиция двух различных по своей природе вкладов в маг- нитную восприимчивость свидетельствует о неоднородной (двух- фазной) природе смешанного состояния в (Sm0,5Gd0,5)0,55Sr0,45MnO3 в нулевом внешнем магнитном поле с преимущественной стаби- лизацией АФМ-структуры CE-типа температурах ниже 0 КТ   TNTCO48,5 К. Согласно рис. 1, ac-магнитная восприимчивость растёт с пони- жением температуры образца при T 20 К и расходится вблизи абсолютного нуля температур, что характерно для квантовых фа- зовых переходов в низкоразмерных гейзенберговских антиферро- магнетиках со структурным беспорядком [5, 6]. В этой фазе низ- котемпературная восприимчивость расходится алгебраически с не универсальным показателем степени. Такая сингулярность вбли- зи абсолютного нуля температур характерна для фазы с кванто- вым магнитным беспорядком, получившей название квантовой фазы Гриффитса. Магнитные свойства квантовой фазы Гриффит- са определяются в основном квантовыми флуктуациями и явля- ются в последнее время объектом интенсивного исследования. Таким образом, основным состоянием спинов марганца в (Sm0,5Gd0,5)0,55Sr0,45MnO3 керамике является двухфазное состояние, в котором сосуществуют упорядоченное АФМ-состояние спинов марганца CE-типа с дальним магнитным порядком и неупорядо- ченная квантовая фаза Гриффитса, состоящая из ФМ-корреляций спинов марганца. Увеличение магнитного поля при 4,2 К в керамике (Sm0,5Gd0,5)0,55Sr0,45MnO3 привело к необратимому индуцированию ферромагнитной фазы, свойства которой не изменялись в течение длительного времени (рис. 2). Метамагнитный фазовый переход в упорядоченное ФМ-состояние осуществляется в необычно малом критическом поле Hc25 кЭ, которое остаётся постоянным с ро- Рис. 2. Изотермы намагничивания 1, 2, 3 для образца керамики (Sm0,5Gd0,5)0,55Sr0,45MnO3 при 4,2 К.2 ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В СОСТОЯНИЯ 2D-ВИХРЕВЫХ ПАР 7 стом температуры до 60 К. Характерными особенностями, полу- ченных при 4,2 К полевых зависимостей намагниченности инду- цированной ФМ-фазы, является относительно большая ширина гистерезисной кривой M(H)4,4 кЭ, соответствующая полю ко- эрцитивности Hc2,2 кЭ, и сравнительно небольшая величина намагниченности насыщения в поле 10 кЭ 60 см3/г, что соот- ветствует скошенному состоянию спинов марганца в индуциро- ванной ФМ-фазе. С целью проследить эволюцию основного маг- нитного состояния системы (Sm1yGdy)0,55Sr0,45MnO3 манганитов по мере замещения редкоземельных ионов в А-позиции ионами меньшего радиуса, были исследованы индуцированные полем ме- тамагнитные фазовые переходы в образцах с y0,5, 0,6, 0,7. Было установлено, что с ростом y полевые зависимости намагни- ченности, полученные в статических полях при 4,2 К, соответ- ствуют необратимому метамагнитному фазовому переходу перво- го рода АФМ-фазы СЕ-типа в ФМ-фазу с критическими полями Hc25, 36 и 45 кЭ соответственно для у0,5, 0,6 и 0,7 (рис. 3). Дальнейший рост концентрации Gd привёл к резкому изменению магнитных свойств (Sm1yGdy)0,55Sr0,45MnO3. Как видно из рис. 4, температурная зависимость, измеренной в Gd0,55Sr0,45MnO3 ас-магнитной восприимчивости, содержит зави- сящий от частоты измерения колоколообразный пик вблизи тем- пературы TG42 К характерный для спин-стекольного состояния, совмещённый с кюри-вейссовским ходом магнитной восприимчи- вости вблизи T0 К. Появление кюри-вейссовского расхождения магнитной восприимчивости вблизи абсолютного нуля темпера- тур является характерным признаком существования бесщелевой квантовой спиновой жидкости в фрустрированных гейзенбергов- ских антиферромагнетиках c различной размерностью и структу- рой [7, 8]. Можно предположить, что появление фазы КСЖ вызвано раз- рушением пространственно модулированной квазидвумерной АФМ-структуры СЕ-типа с ростом концентрации Gd. Предполага- ется, что в относительно узком интервале концентраций гадоли- ния 0,7y 1 происходит плавление зигзагообразной АФМ- структуры СЕ-типа, что приводит к появлению в области абсо- лютного нуля температур неупорядоченной немагнитной фазы типа квантовой спиновой жидкости. В этом случае, концентра- ция гадолиния y0,8–0,9 играет роль квантовой мультикритиче- ской точки на T–y-фазовой диаграмме системы (Sm1yGdy)0,55Sr0,45MnO3. Согласно изотермам намагниченности 1, 2, 3, полученным при изменениях внешнего статического маг- нитного поля в интервале полей 75 кЭ (рис. 5), в керамике Gd0,55Sr0,45MnO3 вблизи абсолютного нуля температур реализуется вырожденное основное состояние спинов Mn, свойства которого 8 Ф. Н. БУХАНЬКО, А. Ф. БУХАНЬКО зависят от предыстории измерения намагниченности. Более подробно новые особенности изотерм намагниченности 1, 2 и 3 представлены на рис. 6, 7 и 8. Убедительным свидетель- ством существования бесщелевой Z2-спиновой жидкости в кера- мике Gd0,55Sr0,45MnO3 при 4,2 К является найденная нами впер- вые чётко выраженная характерная для КСЖ сингулярность по- левой зависимости намагниченности М(Н) вблизи нулевого маг- нитного поля (рис. 6), предсказанная ранее несколькими автора- ми в различных модификациях обобщённой модели Гейзенберга– Китаева. Согласно теоретическим работам [9, 10], в бесщелевой Z2- квантовой спиновой жидкости с беспорядком можно ожидать с Рис. 3. Изотермы намагничивания образцов (Sm1yGdy)0,55Sr0,45MnO3- керамики (у 0,5, 0,6 и 0,7) при 4,2 К.3 Рис. 4. Температурные зависимости магнитной восприимчивости ac(T) керамики Gd0,55Sr0,45MnO3, полученные в ac-поле с напряжённостью h 17 Э на частотах 1 и 7 кГц.4 ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В СОСТОЯНИЯ 2D-ВИХРЕВЫХ ПАР 9 ростом напряжённости Н внешнего магнитного поля появления индуцированных полем пар связанных взаимодействием локали- зованных магнитных моментов, которое сопровождается порого- образным изменением полевой зависимости магнитной воспри- имчивости (Н)(Н/[ln(1/Н)]3/2) 1 вблизи нулевого поля. В рамках обобщённой ГК-теории с учётом замороженного бес- порядка, индуцированные очень слабым внешним магнитным Рис. 5. Изотермы намагничивания 1, 2, 3 для образца керамики Gd0,55Sr0,45MnO3 при 4,2 К, измеренные при поэтапных изменениях ста- тического магнитного поля в интервале 75 кЭ.5 Рис. 6. Пороговая сингулярность начальной изотермы намагничивания 1 образца Gd0,55Sr0,45MnO3 вблизи Н 0 Т, вызванная скачком плотности 2D-вихревых пар, индуцированных в бесщелевой квантовой спиновой жидкости магнитным полем при 4,2 К.6 10 Ф. Н. БУХАНЬКО, А. Ф. БУХАНЬКО полем в базисных ab-плоскостях локализованные магнитные мо- менты возникают вследствие поляризации пар квазидвумерных квантовых вихревых флуктуаций, захваченных дефектами кри- сталлической решётки. В нашем эксперименте появление индуцированных внешним полем пар магнитных моментов чётко зарегистрировано скачком Рис. 7. Пороговая сингулярность начальной изотермы намагничивания 1 образца Gd0,55Sr0,45MnO3 вблизи критического значения магнитного поля Нс123 кЭ, вызванная скачком плотности 2D-вихревых пар в фазе с топологическим порядком при их конденсации.7 Рис. 8. Пороговые сингулярности изотерм 2, 3 вблизи нулевого магнит- ного поля и на границе, разделяющей фазу с топологическим порядком и поляризованную фазу, в процессе намагничивания–размагничивания Gd0,55Sr0,45MnO3 в интервале полей Н 75 кЭ при 4,2 К.8 ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В СОСТОЯНИЯ 2D-ВИХРЕВЫХ ПАР 11 dc-намагниченности вблизи нулевого магнитного поля (рис. 6). Из рисунка 6 также видно, что с ростом поля в интервале маг- нитных полей 0Н2 кЭ на исходной изотерме 1 формируется характерная для КСЖ сингулярность в виде ступеньки намагни- ченности, которая накладывается на более быстрый рост намаг- ниченности для Н2 кЭ. Согласно [1, 11], появление такой сту- пеньки намагниченности может быть вызвано порогообразным переходом КСЖ в режим с ненулевым магнитным порядком типа фазы с топологическим порядком и сопровождается появлением щели в спектре вихревых магнитных возбуждений квантовой спиновой жидкости. Дальнейший рост намагниченности привёл к скачку dc-намагниченности М(Н) на исходной изотерме 1 вблизи критического значения Нс123 кЭ (рис. 7). Можно предполо- жить, что скачок намагниченности на исходной изотерме намаг- ничивания Gd0,55Sr0,45MnO3 соответствует предсказанному в работе [12] переходу первого рода от фазы с топологическим порядком в поляризованную фазу. Дальнейший рост напряжённости поля до 75 kOe не сопровождался появлением новых особенностей на изо- терме 1. В ходе процесса размагничивания Gd0,55Sr0,45MnO3- образца, представленного на рис. 8 в виде изотермы 2, переход из поляризованной фазы в фазу с топологическим порядком проис- ходит скачком при критическом значении Нс22,4 кЭ и сопро- вождается резким падением намагниченности. В работе [12] было получено, что в полях с напряжённостями ННс вихри отсутствуют, что указывает на существование фазы с делокализованными вихрями. Наличие такого состояния пред- полагает существование энергетической щели в спектре вихревых возбуждений. В результате топологического фазового перехода в полях Н Нс появляются вихри вследствие их конденсации. Ав- торы предполагают существование двух видов индуцированных полем вихрей с различными критическими полями их конденса- ции. В рамках абелиановской теории Z2-калибровки, напряжён- ность критического поля Нс конденсации вихрей равна щели в спектре одиночных вихрей. В неабелиановском калибровочном поле величина щели одиночного вихря значительно больше напряжённости критического поля. Эта разница вызвана тем, что в пределе высокой плотности неабелиановских вихрей энергия кора индуцированного одиночного вихря значительно меньше энергии кора изолированных абелиановских вихрей с малой плотностью. В пределе высокой плотности индуцированных по- лем неабелиановских вихрей происходит сильный рост кванто- вых флуктуаций. Таким образом, обнаруженную нами суще- ственную разницу в критических полях Нс1 и Нс2 индуцирован- ных полем фазовых переходов и величине скачков намагничен- ности М(Н) на рис. 7–9, по-видимому, можно объяснить в рам- 12 Ф. Н. БУХАНЬКО, А. Ф. БУХАНЬКО ках теории фазового перехода локализации–делокализации ин- дуцированных полем вихрей значительным отличием плотности квазидвумерных вихрей в ab-плоскостях Gd0,55Sr0,45MnO3 на трёх последовательных этапах намагничивания образцов в пределах слабого и сильного вешнего магнитного поля. 4. ВЫВОДЫ Таким образом, в Gd0,55Sr0,45MnO3 при температурах ниже 42 К в нулевом магнитном поле реализуется квазидвумерное основное состояние спинов марганца, подобное хорошо известному в лите- ратуре неупорядоченному состоянию магнитных моментов типа бесщелевой Z2-спиновой жидкости. Для этого состояния харак- терно существование в системе спинов короткодействующего ближнего порядка NN-типа. Это приводит к образованию в об- разце изолированных пар магнитных моментов (спинонов), силь- но связанных анизотропным ферромагнитным обменом китаев- ского типа. С ростом напряжённости внешнего dc-магнитного по- ля в Gd0,55Sr0,45MnO3 происходит скачкообразный переход кванто- вой спиновой жидкости вблизи поля Н 0 Э в фазу с топологиче- ским порядком ансамбля спинов марганца с относительно низкой плотностью 2D-вихрей в базисных ab-плоскостях. При дальней- шем росте напряжённости магнитного поля обнаружен фазовый переход первого рода вблизи критического значения Нс1 23 кЭ в поляризованную фазу с высокой плотностью 2D-вихрей. В изо- термах намагниченности, измеренных в интервале полей 75 кЭ при 4,2 К, обнаружен сильный гистерезис скачков намагничен- ности, вызванный особенностями процесса локализации- делокализации квазидвумерных вихрей, индуцированных в КСЖ внешним магнитным полем при наличии структурного беспоряд- ка, управляющего конденсацией 2D-вихревых пар. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА–REFERENCES 1. A. Kitaev, Ann. Phys. (N.Y.), 321: 2 (2006). 2 J. Chaloupka, G. Jackeli, and G. Khaliullin, Phys. Rev. Lett., 105: 027204 (2010). 3. Y. Singh and P. Gegenwart, Phys. Rev. B, 82: 064412 (2010). 4. X. Liu, T. Berlijn, W.-G. Yin, W. Ku, A. Tswelik, Y.-J. Kim, H. Gretarsson, Y. Singh, P. Gegenwart, and J.P. Hill, Phys. Rev. B, 83: 220403 (R) (2011). 5. T. Vojta and J. Schmalian, Phys. Rev. B, 72: 045438 (2005). 6. A. W. Sandvik, Phys. Rev. Lett., 96: 207201 (2006). 7. J. G. Cheng, G. Li, L. Balicas, J. S. Zhou, J. B. Goodenough, Cenke Xu, and H. D. Zhou, Phys. Rev. Lett., 107: 197204 (2011). 8. A. van Rynbach, S. Todo, and S. Trebst, Phys. Rev. Lett., 105: 146402 (2010). 9. A. J. Willans, J. T. Chalker, and R. Moessner, Phys. Rev. Lett., 104: 237203 ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В СОСТОЯНИЯ 2D-ВИХРЕВЫХ ПАР 13 (2010). 10. A. J. Willans, J. T. Chalker, and R. Moessner, Phys. Rev., 84: 115146 (2011). 11. R. Schaffer, S. Bhattacharjee, and Y. B. Kim, Phys. Rev. B, 86: 224417 (2012). 12. H. C. Jiang, Z. C. Gu, X. L. Qi, and S. Trebst, Phys. Rev. B, 83: 245104 (2011). Donetsk Institute for Physics and Engineering Named After O. O. Galkin, N.A.S. of Ukraine, 46, Nauky Ave., UA-03028 Kyyiv, Ukraine 1 Fig. 1. Temperature dependences of the magnetic susceptibility ac (T) measured for (Sm0.5Gd0.5)0.55Sr0.45MnO3 ceramics in a measuring ac magnetic field h 17 Oe on frequencies of 1 and 7 kHz. 2 Fig. 2. Isotherms of magnetization 1, 2, 3 for (Sm0.5Gd0.5) 0.55Sr0.45MnO3 ceramic sample at 4.2 K. 3 Fig. 3. Isotherms of magnetization for (Sm1yGdy)0.55Sr0.45MnO3 ceramic samples with Gd concentration y 0.5, 0.6 and 0.7 at 4.2 K. 4 Fig. 4. Temperature dependences of a magnetic susceptibility ac (T) measured for Gd0.55Sr0.45MnO3 ceramics in a measuring ac magnetic field h 17 Oe on frequencies of 1 and 7 kHz. 5 Fig. 5. Isotherms of magnetization 1, 2, 3 measured at step-by-step changes of a static mag- netic field in an interval 75 kOe for Gd0.55Sr0.45MnO3 ceramic sample at 4.2 K. 6 Fig. 6. Threshold singularity of an initial isotherm of magnetization (1) for sample Gd0.55Sr0.45MnO3 close to Н 0 T caused by density jump for 2D vortex pairs induced by a dc magnetic field in a gapless quantum spin liquid at 4.2 K. 7 Fig. 7. Threshold singularity of an initial isotherm of magnetization (1) for sample Gd0.55Sr0.45MnO3 near to critical value of magnetic field Нс123 kOe caused by density jump for 2D vortex pairs in a phase with topological order at their condensation. 8 Fig. 8. Threshold singularities of isotherms 2, 3 near to a zero magnetic field and on the boundary dividing the phase with topological order and the polarized phase in the course of magnetization–demagnetization of Gd0.55Sr0.45MnO3 sample in the range of fields Н 75 kOe at 4.2 K.

Institution

Ähnliche Einträge