Магнитный резонанс в квантовых магнетиках

Видео

Аннотация

Мы рассмотрим спиновые системы в диэлектрических кристаллах со структурой антиферромагнитных обменных связей в виде цепочек, двумерных слоев и сетей связанных димеров. В некоторых таких кристаллах магнитное упорядочение отсутствует вплоть до абсолютного нуля, а в некоторых — сильно запаздывает и устанавливается лишь значительно ниже температуры Кюри — Вейсса. Основное состояние обменно-коррелированной спиновой системы с отсутствием магнитного упорядочения получило название «спиновой жидкости» или «коллективного парамагнетика». Отсутствие упорядочения или его сильное запаздывание обусловлено сильными нулевыми колебаниями спинов, которые разрушают классический магнитный порядок.

Несмотря на отсутствие порядка, в спин-жидкостных фазах существуют элементарные возбуждения с хорошо определенными квантовыми числами и большими длинами свободного пробега. Настоящее сообщение посвящено изучению этих специфических квазичастиц методами многочастотного магнитного резонанса при низких температурах.

Вначале мы рассмотрим элементарные возбуждения в спин-жидкостных системах димерного и халдейновского типов (TlCuCl₃, PbNiV₂O₈), которые обладают щелевым спектром спиновых возбуждений. Спин-жидкостное состояние этих систем устойчиво к возмущениям и существует вплоть до абсолютного нуля. Здесь возбужденное состояние многочастичной макроскопической системы переносит спин S = 1 и проявляет все квантовые свойства спина S = 1. В частности, сильное магнитное поле позволяет «закрыть» спиновую щель, что сопровождается квантовым фазовым переходом с потерей устойчивости спин-жидкостной фазы и индуцированием антиферромагнитного упорядочения магнитным полем.

Затем будут рассмотрены элементарные возбуждения бесщелевых спиновых жидкостей на примере квазидвумерного S = ½ антиферромагнетика на треугольной решетке Cs₂CuCl₄. В бесщелевых спиновых жидкостях возможны элементарные возбуждения так называемого дробного типа, несущие спин S = ½ и являющиеся фермионами. Эти возбуждения называют спинонами, в отличие от обычных магнонов, несущих спин S = 1. При поглощении нейтронов или фотонов фермионы рождаются парами, что приводит к спектру поглощения в виде двухспинонного континуума. Будет описано экспериментальное измерение ширины континуума спинонов для малых волновых векторов, наблюдение коллапса континуума в сильном поле, кроссовер от спинонов к магнонам в насыщенной фазе.

Некоторые из обсуждаемых результатов описаны в работах:

1. V.N.Glazkov, A.I.Smirnov, H.Tanaka, A.Oosawa, Physical Review B 69 184410 (2004)
2. K. Yu. Povarov, A. I. Smirnov, O. A. Starykh, S. V. Petrov, and A. Ya. Shapiro, Phys. Rev. Lett. 107, 037204 (2011).
3. A.I. Smirnov, K.Yu. Povarov, S.V. Petrov, and A.Ya. Shapiro, Phys.Rev. B 85, 184423 (2012).
4. S.A. Zvyagin, D. Kamenskyi, M. Ozerov, J. Wosnitza, M. Ikeda, T. Fujita, M. Hagiwara, A.I. Smirnov, T.A. Soldatov, A.Ya. Shapiro, J. Krzystek, R. Hu, H. Ryu, C. Petrovic, M.E. Zhitomirsky, Phys. Rev. Lett. 112, 077206 (2014).