КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 17-12-01207

НазваниеРазработка метода микроскопического описания магнитных свойств низкоразмерных систем с конкурирующими обменными взаимодействиями на основе объединения теории функционала плотности и численных методов решения модели Гейзенберга

РуководительСтрельцов Сергей Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук, Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2017 г. - 2019 г.

Конкурс№18 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-207 - Магнитные явления

Ключевые словатеория функционала плотности, модель Гейзенберга, низкоразмерные магнетики

Код ГРНТИ29.19.37

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Изучение низкоразмерных магнитных систем с конкурирующими обменными взаимодействиями являются в настоящий момент одной из наиболее быстроразвивающихся областей в физике твердого тела. В данных веществах основное состояние оказывается многократно вырожденным либо имеется большое число близких по энергии возбужденных состояний, что приводит к богатой фазовой диаграмме, необычным магнитным свойствам и возможности возникновения в них специфических состояний, таких как, например, спиновая жидкость, спиновый лед, жидкость валентных связей и другие. При этом интерпретация экспериментальных данных для таких систем зачастую, представляет собой нетривиальную задачу - существование большого количества конкурирующих обменных взаимодействий, приводит к затруднениям как при анализе нейтронных данных, так и при подгонке кривых магнитной восприимчивости и теплоемкости к модельным результатам, делая такую подгонку попросту ненадежной. С другой стороны, в настоящий момент очевиден значительный прогресс как в области зонных расчетов, которые позволяют хорошо описывать электронные свойства, так и методов численного решения спиновых задач, дающих возможность моделирования спектра спиновых возбуждений и различных термодинамических величин. Более того, возможность вычисления обменных параметров в зонном расчете с их последующим использованием при численном решении на основе спинового гамильтониана позволяет проводить неэмпирическое моделирование магнитных свойств низкоразмерных и фрустрированных систем с локализованными магнитными моментами. В настоящий момент такие исследования являются редкими, практически уникальными. В рамках данного проекта предлагается разработка комплекса программ, объединяющего зонные расчеты и различные способы численного решения модели Гейзенберга, который позволяет исходя только из знания кристаллической структуры и химического состава вычислять спектр спиновых возбуждений, моделировать различные термодинамические свойства и исследовать магнитную фазовую диаграмму. Необходимость проведения численных расчетов для спиновой задачи связана с тем, что в случае низкоразмерных систем с конкурирующим обменным взаимодействием теория среднего поля работает только в физически малоинтересной области высоких температур, а для низкотемпературное поведение хорошо изучено лишь для ограниченного класса простых решеток. Для решения модели Гейзенберга в предлагаемой расчетной схеме будут использованы методы точной диагонализации, классического и квантового Монте-Карло, спин-волновой теории, высокотемпературного разложения. Так как каждый из методов имеет как свои достоинства, так и определенные ограничения (проблема знака, пространственная размерность задачи и т.д.), то нами также будет проведена их адаптация для описания предлагаемого класса материалов. Разработанный комплекс программ будет сперва протестирован на нескольких хорошо изученных системах на основе димеров, цепочек и двумерных решеток. В дальнейшем он будет применен для исследования нескольких новых магнитных материалов. Объекты исследования выбраны таким образом, чтобы (1) покрыть максимально возможное число различных классов низкоразмерных и фрустрированных магнетиков, начиная с 0-мерных объектов и заканчивая трехмерными фрустрированными системами. (2) были выбраны системы, представляющие значительный физический интерес. В соответствии с размерностью решетки объекты исследования можно условно разбить на следующие классы: A. Магнитные кластеры (0D): 1) тримеры Ir в соединении Ba4Ir3O10; Б. Одномерные системы (1D): 2) CaMnGe2O6 - зигзагообразные цепочки; 3) Cu(CF3COO)2 - спиновые лестницы (на стыке 1D и 2D); В. Двумерные системы (2D): 4) Ag2FeO2 - треугольная решетка; 5) SrRu2O6 - решетка типа пчелинные соты; Г. Трехмерные системы (3D) с магнитными фрустрациями: 6) CuAl2O4 - фрустрации в решетке алмаза; 7) Ba2(Na,Lu,Y)(Os,Mo)O6 - фрустрации в ГЦК решетке. Выбранные системы являются сами по себе интересными - каждая обладает необычными магнитными свойствами (например, в соединении CuAl2O4 возможно возникает спин-орбитальная жидкость, в SrRu2O6 наблюдается необычно высокая для слоистой системы температура Нееля, в Ag2FeO2 вероятно имеет место переход Березинского-Костерлица-Таулеса, а в Ba2YMoO6 реализуется состояние аморфных валентных связей, см. подробно пункт 4.7). Поэтому реализация данного проекта поможет не только решить фундаментальную проблему моделирования термодинамических магнитных свойств низкоразмерных и фрустрированных магнетиков, но и описать физические свойства конкретных веществ. Так как часть материалов была синтезирована лишь недавно (Ag2FeO2 и Cu(CF3COO)2), в рамках проекта планируется провести также экспериментальные исследования данных систем (температурные и полевые зависимости магнитного момента и теплоемкости, ЭПР и ЯМР, уточнение кристаллической структуры).

Ожидаемые результаты
Основным результатом работы по проекту будет являться расчетная схема, позволяющая проводить моделирование магнитных и термодинамических свойств различных магнитных материалов основываясь только на знании их кристаллической структуры и химического состава. Использование предлагаемой расчетной схемы заметно упростит анализ магнитных свойств и микроскопической природы обменного взаимодействия низкоразмерных магнетиков с конкурирующим обменным взаимодействием. Именно такие материалы, с одной стороны, представляются в настоящий момент наиболее интересными благодаря их необычным физическим свойствам, а с другой - наиболее сложными для исследования, так как зачастую априори не ясно, какие из обменных взаимодействий являются важными, какие нет и к каким физическим свойствам может привести существование геометрической фрустрации для данной спиновой решетки. Важно отметить, что низкоразмерные магнетики и магнитные системы с фрустрацией в некотором смысле являются “экстремальными”, наиболее сложными объектами для моделирования магнитных термодинамических свойств. Поэтому расчетная схема, способная проводить описание таких систем, сможет помочь в изучении и других важных магнитных материалов, а следовательно может быть полезна на практике, в прикладных исследованиях. Все соединения, предлагаемые в качестве объектов для исследования в данном проекте, представляют значительный физический интерес сами по себе, демонстрируя необычные физические свойства или являясь новыми еще не изученными материалами. Поэтому дополнительным результатом работы по проекту будет описание их магнитных свойств. А именно будет изучена связь между кристаллической решеткой и магнитной структурой в одном из клинопироксенов (CaMnGe2O6), что позволит понять природу магнитоэлектрического эффекта в данном важном классе мультиферроиков, исследована механизм возникновения спиновой щели в системе спиновых лестниц Cu(CF3COO)2, возможность существования фазы Березинского-Костерлица-Таулеса в соединении Ag2FeO2, причина аномально высокой температуры Нееля в слоистой системе SrRu2O6, механизм подавления магнетизма в двойных перовскитах на основе 4d-5d ионов переходных металлов и возможность появления состояния типа спин-орбитальная жидкость в системе CuAl2O4. Все запланированные исследования ранее не выполнялись другими группами и полностью соответствуют мировому уровню.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---