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 20-62-46047

НазваниеВлияние спин-орбитального взаимодействия на орбитальные, спиновые и решеточные степени свободы в соединениях переходных металлов.

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 2020 г. - 2022 г. 

Конкурс№46 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (ведущие ученые).

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

Ключевые словаорбитальное упорядочение, 4d/5d, иридаты, эффект Яна-Теллера, модель Китаева, зарядовое упорядочение, DFT

Код ГРНТИ29.19.37

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на исследование новых физических эффектов, связанных с влиянием спин-орбитального взаимодействия на орбитальные, спиновые и решёточные степени свободы в различных соединениях переходных металлов. Изучение явлений, обусловленных спин-орбитальным взаимодействием, без сомнения, стало одной из наиболее активно развивающихся областей физики конденсированного состояния. В рамках настоящего проекта предлагается провести теоретические и экспериментальные исследования влияния спин-орбитального взаимодействия на различные проявления эффекта Яна-Теллера, выявить важные особенности физических характеристик представительного класса кластерных моттовских магнетиков и изучить возможность формирования квантовой спиновой жидкости на решётке типа пчелиные соты. Предложенные направления исследований не являются некоторыми частными проблемами, касающимися конкретных выбранных для изучения материалов. Все они важны для развития “спин-орбитальной” физики. Так эффект Яна-Теллера является одним из наиболее фундаментальных физических явлений, существенных не только для физики твёрдого тела и материаловедения, но и для химии. Постепенное смещение интересов исследователей к соединениям 4d и 5d переходных металлов, в которых спин-орбитальное взаимодействие оказывается одним из наиболее важных факторов, требует аккуратного анализа его роли в соединениях с ян-теллеровскими ионами (тем более, что уже сейчас имеется немало экспериментальных свидетельств о наличии соответствующих нетривиальных эффектов). Изучение новых систем, описываемых моделью Китаева (на основе 3d металлов или металлов с электронной конфигурацией d1, а не d5) может открыть новое перспективное направление в этой быстро развивающейся области физики конденсированного состояния. В свою очередь, исследование кластерных моттовских магнетиков в настоящее время только начинается, и выяснение роли спин-орбитального взаимодействия в них представляет собой амбициозную фундаментальную задачу. Для выполнения поставленных задач к группе присоединятся ведущие ученые, специалисты мирового уровня – A. Fujimori, К.И. Кугель и Д.И. Хомский.

Ожидаемые результаты
В ходе реализации проекта будет исследовано несколько важных эффектов, связанных с влиянием спин-орбитального взаимодействия на физические свойства соединений переходных металлов. В частности 1. Планируется построить многоэлектронную теорию, описывающую влияние спин-орбитального взаимодействия на проявления эффекта Яна-Теллера; 2. Разработать микроскопическую модель для описания физических свойства двух ключевых кластерных моттовских магнетиков: соединений серии Me1Me2Mo3O8 и Nb3Cl8; 3. Изучить возможность реализации модели Китаева в оксидах переходных металлов 3d ряда и формирования SU(4)-симметричной квантовой спиновой жидкости на решетке типа пчелиные соты. Все намеченные исследования соответствуют мировому уровню и важны для такого интенсивно развивающегося в последние годы направления физики конденсированного состояния как “спин-орбитальные материалы” (постепенно входящий в употребление термин, характеризующий вещества, в которых спин-орбитальное взаимодействие является принципиально важным и определяет их физические свойства). Проект имеет фундаментальную направленность и его результаты, разумеется, не могут быть напрямую использованы в экономике и социальной сфере, но исследования таких эффектов как, например, спин-орбитальное запутывание и существование квантовых жидкостей могут оказаться чрезвычайно важными в долгосрочной перспективе для такой быстроразвивающейся области, как квантовые вычисления.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Исследовано влияние спин-орбитального взаимодействия на одно из фундаментальных явлений в физике твердого тела – эффект Яна-Теллера. Показано, что в большинстве случаев оно подавляет локальные искажения кристаллической структуры, однако встречаются и ситуации, когда наоборот спин-орбитальное и вибронное взаимодействия кооперируются, приводя к возникновению дополнительных деформаций. Изучена возможность реализации квантово-запутанного состояния jeff=1/2, возникающего за счет спин-орбитального взаимодействия, в соединениях CuAl2O4 и ZrCl3. Показано, что под давлением и с повышением температуры данное состояние не переходит в обычное состояние со спином S=1/2 в CuAl2O4, как предполагалось ранее, а данное соединение оказывается химически нестабильным и разлагается на CuO и Al2O3. Изучена возможность реализации спин-орбитально запутанного состояния в альфа-ZrCl3, которое может приводить к возникновению квантовой спиновой жидкости. В частности продемонстрировано, что такое состояние в данном материале не реализуется, а происходит димеризация и стабилизация спин-синглетного состояния. Кроме того было исследовано явление квантового запутывания в спин-орбитальной модели Кугеля-Хомского для конечной цепочки.

 

Публикации

1. Агзамова П.А., Белик А.А., Стрельцов С.В. Structural stability of CuAl2O4 under pressure Journal of Physics: Condensed Matter, 33, 035403 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1088/1361-648X/abba68

2. Валиулин В.Е, Михеенков А.В., Щелкачев Н.М., Кугель К.И. Quantum entanglement, local indicators, and the effect of external fields in the Kugel-Khomskii model Physical Review B, 102, 155125 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.155125

3. Ушаков А.В., Соловьев И.В., Стрельцов С.В. Can the Highly Symmetric SU(4) Spin-orbital Model be Realized in α-ZrCl3? Письма в ЖЭТФ, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1134/S002136402022004X

4. Хомский Д.И., Стрельцов С.В. Orbital effects in solids: basics, recent progress and opportunities Chemical Reviews, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00579

5. - Найти компромисс во взаимодействии Научная Россия, - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проведено исследование электронных и структурных свойств соединения CuAl2O4, обнаружены экспериментальные свидетельства расщепления t2 состояний иона Cu, вызванные эффектом Яна-Теллера. Показано, что сильные ян-теллеровские искажения приводят к возникновению аномального антихундовского состояния в Na9Bi5Os3O24. Теоретически продемонстрировано, что предложенное ранее спин-жидкостное состояние, обусловленное наличием сильного спин-орбитальным взаимодействия и особой геометрией кристаллической решетки, в соединениях альфа-TiBr3 и альфа-TiCl3 не реализуется. Вместо этого происходит стабилизация немагнитного основного состояния, связанного с димеризацией. Исследованы магнитные свойства квазиодномерной системы Sr2Ni(SeO3)2Cl2 и показано влияние спин-орбитального взаимодействия на ее магнитные свойства.

 

Публикации

1. Гапонцев В.В., Газизова Д.Д., Стрельцов С.В. Dimerization in alpha-TiCl3 and alpha-TiBr3: DFT study Journal of Physics: Condensed Matter, 33, 495803 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1088/1361-648X/ac27da

2. Жидков И.С., Белик А.А., Кухаренко А.И., Чолах С.О., Таран Л.С., Фуджимори А., Стрельцов С.В., Курмаев Э.З. Cu-site disorder in CuAl2O4 as studied by XPS spectroscopy Письма в ЖЭТФ, 114, 627 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1134/S0021364021210062

3. Ирхин В.Ю., Скрябин Ю.Н. Electronic States and the Anomalous Hall Effect in Strongly Correlated Topological Systems Journal of Experimental and Theoretical Physics volume, 133, 116 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1134/S1063776121060030

4. Козлякова Е.С., Москин А.В., Бердоносов П.С., Гапонцев В.В., Стрельцов С.В., Скорский Ю., Шпрахман С., ЭльГандур, Клинелер Р., Васильев А.Н. Quasi-1D XY antiferromagnet Sr2Ni(SeO3)2Cl2 at Sakai-Takahashi phase diagram Scientific Reports, 11, 15002 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1038/s41598-021-94390-3

5. Тхакур Г.С., Г. Ройтер Г., Ушаков А.В., Галло, Г., Нусс Ю., Диннебир Р.Е., Стрельцов С.В., Хомский Д.И., Янсен М. Na9Bi5Os3O24: A Novel Diamagnetic Oxide Featuring a Strongly Compressed Octahedral Coordination of Osmium(VI) Angewandte Chemie - International Edition, 60, 16500 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1002/anie.202103295

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Исследовано влияние спин-орбитального взаимодействия на эффект Яна-Теллера в случае txT задачи. Изучены особенности обменного взаимодействия в соединениях NaMnCl3, Co3Sn2S2 и BaCo2(AsO4)2, и показано, что спин-орбитальное взаимодействие значительно модифицирует обменные тензоры в последнем случае и вызывает появление ненулевого симметричного анизотропного обменного взаимодействия китаевского типа. Тем не менее параметр Китаева оказывается слишком мал, чтобы стабилизировать спин-жидкостное состояние. Также в ходе работ по проекту были предсказаны существование нового низкоразмерного магнетика SrOs2O6 и кристаллическая структура низкотемпературной фазы двойного перовскита PrBaMn2O6, в котором вероятно появление зарядового и орбитального упорядочений. С помощью совместного теоретического и экспериментального исследования Co1/3Nb2S6 впервые продемонстрирована возможность контроля зарядового и магнитного состояния отдельных атомов Co, а также стабильность получаемых метастабильных состояний на временах порядка 40 минут.

 

Публикации

1. Агзамова П.А., Стрельцов С.В. Structural and electronic properties of a new material - SrOs2O6 Physics of the Solid State, 64, 140 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.21883/PSS.2022.01.52501.27s

2. Лим С., Пан С., Ванг К., Ушаков А.В., Суханова Е.В., Поппов З.И., Квашнин Д.Г., Стрельцов С.В. Чьонг С.В. Tunable single-atomic charges on a cleaved intercalated transition metal dichalcogenide Nano Letters, 22, 1812 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03706

3. Максимов П.А., Ушаков А.В., Пчелкина З.В., Ли И., Винтер С.М., Стрельцов С.В. Ab initio guided minimal model for the Kitaev material BaCo2(AsO4)2: Importance of direct hopping, third-neighbor exchange, and quantum fluctuations Physical Review B, 106, 165131 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.106.165131

4. Панкрушина Е.А., Ушаков А.В., Абд-Ельмегуид М.М., Стрельцов С.В. Orbital-slective behaviour in cubanite CuFe2S3 Physical Review B, 105, 024406 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.024406

5. Соловьев И.В., Николаев С.А., Ушаков А.В., Танака А., Стрельцов С.В. Microscopic origins and stability of the ferromagnetism in Co3Sn2S2 Physical Review B, 105, 014415 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.014415

6. Соловьев И.В., Ушаков А.В., Стрельцов С.В. Origin of ferromagnetic interactions in NaMnCl3: How the response theory reconciles with Goodenough-Kanamori-Anderson rules Physical Review B, 106, L180401 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.106.L180401

7. Стрельцов С.В., Рыльцев Р.Е., Щелкачев Н.М. Ground-state structure, orbital ordering and metal-insulator transition in double-perovskite PrBaMn2O6 Journal of Alloys and Compounds, 912, 165150 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.165150

8. Стрельцов С.В., Темников Ф., Кугель К.И., Хомский Д.И. Interplay of the Jahn-Teller Effect and Spin-Orbit Coupling: The Case of Trigonal Vibrations Physical Review B, 105, 205142 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.205142

9. Хуанг Х.И., Сингх А., Ву Ц.И., Кси Ц.Д., Белик А.А., Курмаев Э.З., Фуджимори А., Чен Ц.Т., Стрельцов С.В., Хуанг Д. Дж. Resonant inelastic X-ray scattering as a probe of Jeff=1/ 2 state in 3d transition-metal oxide NPJ Quantum Materials, 7, 33 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1038/s41535-022-00430-0

Возможность практического использования результатов
не указано