Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2022
Ключевые слова: спиновый кроссовер, обменное взаимодействие, возбужденные состояния, высокие давления, оптическая накачка, редкоземельные кобальтиты, кроссовер в неравновесных условиях
Аннотация: Проект посвящен экспериментальным и теоретическим исследованиям спиновых кроссоверов в магнитоупорядоченных материалах. Выполнен сложный и уникальный эксперимент на синхротроне Петра-3 на станции Р01 (ядерное рассеяние) (Гамбург) для исследования влияния спинового кроссовера в FeBO3 при высоком давлении на магнитные свойства кристаПоказать полностьюлла. Согласно нашим теоретическим расчетам, спиновый кроссовер приводит к дополнительному ферромагнитному обмену между низкоспиновыми термами, и конкурирующие ферромагнитные и антиферромагнитные вклады практически компенсируют друг друга. Одновременные измерения спектров ядерной дифракции и ядерного рассеяния вперед в нашем эксперименте позволили детектировать антиферромагнитное высокоспиновое состояние при малых давлениях до 48 ГПа, обнаружить антиферромагнитное состояние с сосуществованием ионов Fe+3 в высокоспиновом (HS) и низкоспиновом (LS) состояниях в области гистерезиса от 48 ГПа до 54 ГПа. Выше 58 ГПа наблюдается только LS состояние, немагнитное при охлаждении до 9 К.??Теоретически изучены особенности термодинамики и динамики многоэлектронной системы со спиновым кроссовером при разных давлениях. В рамках многоэлектронной модели с двумя спиновыми термами и учетом обменных взаимодействий между высокоспиновыми ионами и электрон-вибронного взаимодействия электронов катиона с локальными колебаниями катион-анионного октаэдра исследованы термодинамика и динамика системы со спиновым кроссовером при высоком давлении. Показано, что внезапное возбуждение катиона из LS в HS состояние при оптической накачке приводит в релаксации концентрации HS/LS состояний, магнитного момента и длины связи катион-анион. Обнаружена радикальная перестройка динамики магнитного момента, среднего расстояния катион-анион и концентраций высокоспиновых/низкоспиновых состояний и обнаружены интенсивные всплески нелинейных колебаний всех параметров с частотами вибронов (резонансов Франка-Кондона) в окрестности кроссовера. За счет сильного ангармонизма в электрон-вибронном взаимодействии кроссовер может быть индуцирован не только статическим высоким давлением, но и внезапным возбуждением с оптической или акустической накачкой. ?? Экспериментальные исследования динамики возбужденных состояний в LaCoO3 проведены на рентгеновском лазере на свободных электронах XFEL в Гамбурге. В экспериментах измерена динамика рентгеновских спектров поглощения вблизи O-K, La-, Co- краев поглощения при накачки с длиной волны 2500 нм на образцах LaCoO3. Проведен анализ данных эксперимента по динамике рентгеновских спектров поглощения на наших образцах LaCoO3. Готовится совместная публикация результатов с немецкими партнерами. Теоретическое моделирование динамических кроссоверов в LaCoO3 показало возможность появления металлической фазы при релаксации внезапно возбужденного высокоспинового состояния иона Co+3. Мы также изучили динамику квантового фазового перехода на примере одномерной цепочке Изинга в поперечном магнитном поле. Вблизи критической точки квантовые флуктуации могут вывести систему из основного состояния. В результате конечное состояние может зависеть от скорости прохождения критической точки. При быстром процессе переключения создаются топологические дефекты, и конечное состояние заметно отличается от равновесного. ??Измерены спектры инфракрасного поглощения в ряду редкоземельных кобальтитов, анализ результатов выявил сильные сдвиги частоты дыхательной вибронной моды СоО6 октаэдров с ростом температуры. Наибольший красный сдвиг наблюдается у LaCoO3, в ряду лантаноидов LnCoO3 величина красного сдвига уменьшается с ростом номера лантаноида, Установлены связи этих зависимостей с эффектами электрон-вибронного взаимодействия и ростом концентрации высокоспиновых состояний кобальта при нагревании. Флуктуации мультиплетности низкоспиновое – высокоспиновое состояния Co+3 сопровождаются изменением ионного радиуса и приводят к сильному ангармонизму электрон-фононного взаимодействия уже при комнатной температуре.??Рассмотрено влияние спиновых кроссоверов на электронную структуру окислов переходных металлов и на бозе-конденсацию спиновых экситонов в окрестности спинового кроссовера. Найдена новая фаза экситонного конденсата в окрестности спинового кроссовера. Исследована дисперсия экситонов в рамках двухзонной модели Канамори и эволюция экситонной дисперсии с ростом давления вдали и вблизи спинового кроссовера. Нетривиальность данной задачи связана с тем, что амплитуда экситонных перескоков того же порядка, что и межатомное антиферромагнитное взаимодействие. Установлена возможность формирования экситонной мягкой моды и ее связь с фазой экситонного конденсата. Формирование экситонного конденсата приводит к антиферромагнитному упорядочению высокоспиновых состояний даже в отсутствие межатомного обменного взаимодействия гейзенберговского типа. Спиновый кроссовер сопровождается переходом полупроводник-полуметалл, формирование экситонного состояния модифицирует электронную структуру узкощелевого полупроводника в окрестности спинового кроссовера.??Развитый нами метод расчета суперобменного взаимодействия с учетом возбужденных состояний катиона был обобщен на случай 90-градусного обмена. Дана оценка 90- и 180-градусного суперобменного взаимодействия в мотт-хаббардовских диэлектриках NiO и CoO при обычных условиях и под высоким гидростатическим давлением. Показано, что магнитное упорядочение в данных материалах полностью определяется 180-градусным суперобменом во второй координационной сфере. ? ?В рамках нашего метода расчета селективных вкладов межатомного суперобменного взаимодействия от возбужденных термов магнитных катионов предсказаны изменения знака обменного взаимодействия при спиновых кроссоверах для d5, d6 ионов. В семействе редкоземельных кобальтитов RCoO3 основное состояние немагнитно, но с ростом температуры заполняются высокоспиновых состояний, для которых мы получили ферромагнитный знак межатомного обмена. Этот результат объясняет наблюдаемое ферромагнитное упорядочение в дефектных образцах RCoO3, где возможна стабилизация высокоспинового терма. Исследованы магнитные свойства объёмных LaCoO3 в зависимости от размеров исходных кристаллитов и температурных режимов спекания, показано формирование ферромагнитных образцов при определенных технологических режимах. ??В рамках теории функционала плотности теоретически исследована электронная структура и магнитные свойства в ферримагнетике Fe3Se4 при изотропном давлении. Обнаружен переход из ферримагннитного состояния в ферромагнитное при давлении 5 ГПа и магнитный коллапс при давлении 8 ГПа, выше которого найдено исчезновение магнитных моментов на ионах железа и реализуется парамагнитная фаза. Плотность состояний на уровне Ферми меняется немонотонно при магнитных переходах с сохранением металлического состояния при всех давлениях.??Подготовлен обзор в УФН, он находится в списке принятых на сайте УФН и выйдет в свет в 2023г. Кроме того, на сайте ФИЦ КНЦ размещены материалы с упоминанием наших проектов РНФ: ?https://ksc.krasn.ru/news/krasnoyarskaya_shkola_magnetizma_EASTMAG???