Год издания: 2021
Ключевые слова: спиновый кроссовер, обменное взаимодействие, возбужденные состояния, высокие давления, оптическая накачка, редкоземельные кобальтиты, кроссовер в неравновесных условиях
Аннотация: Спиновые кроссоверы связаны с переключениями между разными спиновыми состояниями магнитных катионов в соединениях переходных металлов и преобладающим ионным типом химической связи. Спиновые кроссоверы могут происходить в равновесных условиях в виде фазовых переходов при высоких давлениях, как в окислах 3d-металлов, и при изменении Показать полностьютемпературы, как в метал-органических комплексах, либо в виде плавных кроссоверов с постепенным замещением низкоспиновых состояний высокоспиновыми, как в редкоземельных кобальтитах. В последнее время стали активно развиваться исследования спиновых кроссоверов в неравновесных условиях. обусловленные появлением экспериментальных методов исследования сверхбыстрых процессов в спектроскопии с помощью фемтосекундных оптических лазеров, рентгеновских лазеров на свободных электронах (XFEL). Как равновесные, так и неравновесные кроссоверы будут предметом исследования в настоящем проекте. Проект является продолжением предыдущего проекта 18-12-00022, в котором решались следующие проблемы: 1) Теоретическое исследование влияния кооперативности (межатомного обменного взаимодействия) на термодинамику спиновых кроссоверов. 2) Теоретическое исследование динамики системы. в которой спиновый кроссовер индуцирован внезапным возмущением. 3) Экспериментальные исследования влияния перераспределения концентраций высокоспинового/низкоспинового состояний в редкоземельных кобальтитах на их термодинамические и оптические свойства. Основным достижением предыдущего проекта мы считаем развитую идеологию и метод расчета парциальных вкладов возбужденных состояний магнитных катионов в формирование суперобменного взаимодействия в магнитных диэлектриках. Во-первых, этот результат позволил выйти за рамки традиционной в магнетизме модели Гейзенберга и описать изменения обменного взаимодействия при селективной накачке , что позволило объяснить ряд экспериментов по фемтосекундной магнитооптике; во-вторых, предсказаны изменения в величине и знаке обменного взаимодействия при спиновых кроссоверах под высоким давлением, когда бывшие в фазе низкого давления возбужденные термы становятся основными в фазе высокого давления. Предсказанное для FeBO3 изменение знака обмена с антиферромагнитного на ферромагнитный в низкоспиновом состоянии составило главную идею эксперимента по исследованию ядерного магнитного рассеяния на синхротроне Петра-3 в Гамбурге при высоких давлениях 60-70 ГПа и низких температурах 15-30 К. Заявка на эксперимент одобрена. в выделено время 10-15 декабря 2020, но из-за короновируса поездка наших участников на эксперимент стала невозможной. В следующем году мы планируем провести этот эксперимент. В лабораторных условиях нам удалось обнаружить значительное смягчение частоты дыхательной моды колебаний в NdCoO3, SmCoO3, GdCoO3 при температурах 300-500 К, обусловленное ангармонизмом в электрон-вибронном взаимодействии. Обычно в кристаллах эффекты ангармонизма проявляются при высоких температурах порядка 1000 К, но в нашем случае сильная температурная зависимость фононной частоты обусловлена тепловыми флуктуациями мультиплетности, которые, как нами показано из измерений дилатации, имеют максимум в указанном диапазоне температур. 4) Предсказанные нами результаты по динамике релаксации намагниченности, длины связи металл-кислород и концентрации высокоспиновых термов при внезапном переключении спинового состояния легли в основу заявки на эксперимент на XFEL в Гамбурге, которая одобрена в 2020, но из-за короновируса произошел сдвиг в планах работы XFEL и эксперимент назаначен на март 2021.?В проекте на 2021-2022 годы мы планируем: 1) Завершить синхротронные эксперименты, упомянутые выше. 2) Продолжить теоретическое изучение особенностей динамики в окрестности спинового кроссовера. 3) Развитый ранее метод расчета суперобменного взаимодействия с учетом возбужденных состояний катиона был ограничен только случаем 180-градусного обмена. В данном проект мы обобщим его на случай произвольных углов стыковки октаэдров. 4) Будет решена совершенно новая задача, родившаяся из нашей работы 2019г по проекту РНФ. Мы рассмотрели двухорбитальную модель Канамори в рамках представления операторов Хаббарда, построенных на точном многоэлектронном базисе собственных функций внутриатомной части гамильтониана. После унитарного преобразования с исключением недиагональных межатомных электронных перескоков мы получили двухзонный аналог t-J модели, в котором есть два терма, высокоспиновый HS, S=1 и низкоспиновый LS,S=0 и межатомный обмен гейзенберговского типа для высокоспиновых термов. Дополнительно к t-J модели в этой модели есть локальные спиновые экситоны-возбуждения между HS -LS термами, а также межатомные перескоки экситонов того же порядка t2/U, что и обмен. В законченном проекте мы ограничились частным случаем матричных элементов электронного перескока, не зависящего от орбитальных индексов. В этом сдучае параметр экситонного перескока равен нулю. В настоящем проекте мы планируем рассмотреть общий случай и исследовать дисперсию экситонов и возможную экситонную конденсацию. 5) Будет теоретически изучено поведение электронных и магнитных свойств NiO при сверхвысoких давлениях и влияние спинового кроссовера для d7 конфигураций на эти свойства. 6) Будет продолжен поиск новых слоистых кобальтитов с конкуренцией разных спиновых мультиплетов и экспериментально исследовать проявление этой конкуренции. 7) Будет подготовлен обзор по теме спиновых кроссоверов в магнитных материалах.