Низкоразмерный магнетизм

Одним из наиболее актуальных направлений современной физики конденсированного состояния является физика квантовых кооперативных явлений. Этот круг явлений включает магнетизм, сверхпроводимость, волны спиновой плотности, волны зарядовой плотности, бозе-эйнштейновскую конденсацию, сверхтекучесть, и это очень важный раздел современной физики.

Одним из подразделов этого направления является физика низкоразмерных магнитных систем. Объектами низкоразмерного магнетизма являются такие системы или такие органические и неорганические объекты, где ионы-носители магнитного момента формируются в группы с ярко выраженной пониженной размерностью. В трехмерном объекте расстояние или масштабы взаимодействий между магнитными ионами одинаковые по всем трем направлениям. В низкоразмерных системах эта ситуация резкой анизотропии. Крайним случаем низкоразмерности (нулевой размерности) является изолированный ион, точнее, ион системы двух слабосвязанных ионов. Такие системы называются димерами, и они способны образовывать так называемые синглетные немагнитные основные состояния.

Помимо димеров, возможно формирование новых частиц, состоящих из четырех ионов. Это будет называться блокеткой. Это система нулевой размерности. Если ионы выстроились в изолированную цепочку и вторая цепочка находится от первой далеко в кристалле, мы имеем дело с одномерной, вернее, с квазиодномерной магнитной системой. Наконец, если ионы-носители магнитного момента выстраиваются в плоскость, такая система будет обладать ярко выраженными двумерными свойствами.

И есть еще одно важное обстоятельство, которое тесно примыкает к физике низкоразмерного магнетизма. Это физика фрустрированного магнетизма. Магнитные ионы могут расположиться в кристаллической решетке таким образом, что обменные взаимодействия будут резко и сильно конкурировать друг с другом. Тогда фрустрация магнитных взаимодействий приведет, по сути, к таким же или аналогичным эффектам, какие имеют место в низкоразмерных системах. В любом случае низкоразмерные фрустрированные магнитные системы не предполагают привычного для нас состояния неелевского порядка или состояния ферромагнетика с фиксированной температурой Кюри.

Низкоразмерный магнетизм принципиально отличается от того магнетизма, к которому мы привыкли. Дело в том, что низкоразмерные магнитные системы не предполагают достижения упорядоченного состояния при низких температурах. Состояние, которое формируется в низкоразмерных магнитных системах, называется спиновые жидкости. И физика спиновых жидкостей очень близка к физике сверхпроводящего состояния. Низкоразмерные системы — это изолированные цепочки ионов-носителей магнитного момента или плоскости, образованные этими магнитными моментами.

Для низкоразмерного магнетизма существует целый ряд важных теоретических положений, которые описывают поведение таких систем в широком интервале температур, но проверка теоретических моделей всегда проводится на каких-то конкретных объектах, с которыми работают экспериментаторы. Такие объекты наблюдаются как в органических, так и в неорганических соединениях. И для того, чтобы квантовые эффекты проявились наиболее ярко в низкоразмерном магнетизме, следует выбирать системы, образованные ионами с низким значением спина. В неорганической химии это были бы ионы двухвалентной меди, трехвалентного титана, четырехвалентного ванадия. Отдельную разновидность представляют системы, образованные ионами двухвалентного никеля. Тем самым я определил круг объектов, с которыми в основном работает низкоразмерный магнетизм.

Имеется два сценария поведения низкоразмерных систем при понижении температур. Спиновая жидкость может сформироваться без формирования щели в спектре магнитных возбуждений, или второй сценарий, когда в спектре магнитных возбуждений возникнет щель. Если щель в спектре магнитных возбуждений возникнет, то поведение такой системы будет сильно напоминать поведение сверхпроводника второго рода. Появится первое и второе критические поля, самоорганизующееся состояние, которое способно к самоорганизации в промежуточном интервале магнитных полей, и тем самым можно разделить низкоразмерные магнетики на два класса: бесщелевые спиновые жидкости и спиновые жидкости со щелью. Последний вариант представляет заметный интерес, и здесь можно выделить три основных механизма формирования спиновой щели. Каждый из них представляет очень большой интерес, фундаментальный интерес.

Первый из таких механизмов называется спин-пайерлсовский переход по имени Рудольфа Пайерлса, английского физика. Это явление аналогично переходу металл — изолятор в квазиодномерных металлах. Здесь, в спектре магнитных возбуждений, в каком-то смысле возникновение щели носит философский характер. Система не может упорядочиться, в низкоразмерном магнетике огромную роль играет энтропийная слагаемая. Мы понижаем температуру, система обязана упорядочиться согласно законам термодинамики, а некие важные формулы низкоразмерного магнетизма запрещают это сделать. Из такого безвыходного состояния система может выйти за счет магнитоупругого взаимодействия. Ионы в кристаллической решетке сдвинутся так, чтобы сгруппироваться по парам, возникнет статический аналог куперовской пары или димера, и реализуется щель в спектре магнитных возбуждений.

Имеется несколько соединений, где был реализован этот механизм формирования щели в магнетиках. Самый интересный, наверное, и наиболее подробно изученный — германат меди. Следующий механизм затрагивает другую степень свободы в твердом теле — электрический заряд. Можно представить себе ситуацию, когда в неорганическом соединении присутствуют ионы одного и того же химического элемента с различными валентностями, и при понижении температуры может сложиться ситуация, когда электроны перераспределятся таким образом, что они снова образуют димеры, аналоги куперовской пары, и из-за перераспределения заряда в решетке возникнет щель в спектре магнитных возбуждений. Это яркое явление реализовано, в частности, в соединении NaV2O5 и является аналогом знаменитого перехода Вервея, который, в свою очередь, реализован во всем хорошо знакомом магнетите. В магнетите Fe3O4 имеет место зарядовое упорядочение, то есть переход Вервея.

Наконец, имеет место третий механизм, за счет чего можно приблизить свойства магнетика к свойствам сверхпроводника. Это использовать еще одну степень свободы — орбитальное движение электронов. Орбитальное упорядочение (его еще называют эффектом Яна — Теллера) также может привести к тому, что электроны перегруппируются в кристаллической решетке и снова разобьются на пары и опять у нас возникнет ситуация, когда поведение низкоразмерного магнетика станет напоминать поведение сверхпроводника.

Теперь возникает вопрос: собственно говоря, низкоразмерный магнетизм интересен только тем, что он позволяет понять сверхпроводимость, или еще по какой-то причине? И то и другое верно. Если мы можем найти соединения, которые в изолирующем состоянии напоминают сверхпроводник, остается только добавить туда носителей заряда или приложить давление, и тогда можно такой магнетик перевести в состояние сверхпроводника. Единственный успешный пример был реализован на соединении с необычным названием «телефонный номер». Соединение «телефонный номер» называется так потому, что индексы у химических элементов выстроились следующим образом: 12 2 24 41 (стронций-12, кальций-2, медь-24, кислород-41). Это тот случай, когда удалось низкоразмерный магнетик путем одновременного легирования и приложения давления превратить в настоящий сверхпроводник.

Теперь более важное обстоятельство. Изучение низкоразмерного магнетизма важно в плане построения единой физической картины кооперативных явлений, когда в рамках единого формализма предпринимаются попытки описать такие, на первый взгляд, совершенно разные явления, как магнетизм, сверхпроводимость, бозе-эйнштейновская конденсация и так далее. В целом я хотел бы сказать, что физика магнитных явлений в низкоразмерных системах в настоящее время еще менее понятна, чем физика экзотических сверхпроводников.