ИСТИНА

Квантовые низкоразмерные спиновые системы с сильной межспиновой корреляцией привлекают в последнее время значительное внимание. В таких системах сильные квантовые флуктуации препятствуют формированию дальнего магнитного порядка, приводя к образованию экзотических основных состояний, как со спиновой щелью, так и с бесщелевым поведением. Особый интерес представляют цепочки спинов S=1/2 с сильной внутрицепочечной фрустрацией, обусловленной конкуренцией между ферромагнитным обменным взаимодействием между ближайшими магнитными ионами (NN), и антиферромагнитным обменом между соседями, следующими за ближайшими (NNN). В результате фрустрированного магнитного взаимодействия в этих системах возможно образование уникальных несоизмеримых спин-модулированных структур спирального типа, причем проблема формирования основного состояния в таких соединениях, особенно в присутствии замещения и допирования, до сих пор не изучена. Некоторые из таких систем находятся вблизи квантовой критической точки, разделяющей ферромагнитный и геликоидальный магнитный порядок. Другим фактором повышенного интереса к низкоразмерным сильно коррелированным спиновым системам является наблюдение эффекта мультиферроичности в LiCu2O2 и LiVCuO4, в то время как до сих пор ничего подобного не обнаружено в соединениях NaCu2O2 и Li2ZrCuO4, обладающих сходной координацией спиновых цепочек CuO2. В настоящий момент отсутствует ясное понимание связи всех этих необычных явлений. Настоящий проект посвящен развитию фундаментального понимания магнитных свойств низкоразмерных квантовых спиновых систем, в частности, взаимосвязи между симметрией и анизотропией различных видов обменного взаимодействия с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР).

There is currently significant interest in the Physics of low-dimensional quantum spin systems. In such systems, long-range magnetic order is prevented due to strong quantum fluctuations. The ground states are found to be exotic with spin-gapped or gapless behaviour. Influence of substitutions in these systems has been of interest for some time and various effects have been documented. A correlation was suggested between the origin of superconductivity induced in hole-doped cuprates (where the parent materials are S = ½ two-dimensional Heisenberg antiferromagnets) and the exotic physics of quantum spin systems. Geometrically frustrated systems have recently gained prominence due to the absence of long-range magnetic order in spite of strong nearest neighbour interactions. Recent work has been carried out on Kagome and hyperkagome systems. Doping effects in such systems are of interest as well. With such considerations in mind, the main goal of the proposed joint project is to develop a fundamental understanding of the magnetic properties of low-dimensional magnetic systems by means of nuclear magnetic resonance (NMR) and nuclear quadrupole resonance (NQR).

1) Изучение не-Жанг-Райсовского (non-Zhang-Rice) поведения дырочных центров CuO4 в La2Li0.5Cu0.5O4:Fe методом ЯМР (измерение спектров ЯМР ядер 7Li и скорости ядерной спин-решеточной релаксации на ядрах 7Li в широком диапазоне температур). 2) Исследование магнитной структуры квази-одномерного фрустрированного антиферромагнетика LiCu2O2 при различных ориентациях монокристалла LiCu2O2 относительно магнитного поля как в основном состоянии (T < Tc1=22.5 K), так и в промежуточной температурной области (Тс1 < T < Tc2 = 24 К). Кроме того, синтезированы однофазные соединения LiCu(2-x)ZnxO2 и проведены предварительные измерения спектров ЯМР 7Li с целью изучения влияния замещения меди на цинк на характер магнитной структуры. 3) ЯМР-исследование низкоразмерной спиновой системы Сu2[PO3(CH2)PO3] с целью уточнения характера основного состояния (альтернированная цепочка, магнитные или структурные димеры). 4) Исследование эволюции спин-модулированной магнитной структуры в мультиферроике Bi(1-x)SrxFeO3 методами ЯМР в нулевом поле и Мессбауэровской спектроскопии. 5) Изучение магнитной структуры фрустрированного 2-мерного антиферромагнетика PbBaFe2O5 методами ЯМР в нулевом поле и Мессбауэровской спектроскопии.

Исследование сильно коррелированных квантовых систем является активно развивающимся направлением физики конденсированного состояния. Как индийская, так и российская группы принимали участие в различных аспектах этих исследований: индийская сторона, в основном, изучала эффекты замещения и допирования в низкоразмерных системах, тогда как российская сторона занималась исследованием магнитного спинового упорядочения и электронной структуры в низкоразмерных магнетиках и других сильно коррелированных электронных системах, частично совместно с индийскими коллегами. В частности, первое экспериментальное свидетельство несоизмеримой спиральной спиновой структуры в основном состоянии спин-цепочечных купратов с общим ребром было получено российской группой с помощью ЯМР 6,7Li в LiCu2O2. С помощью ЯМР 23Na нами были получены оригинальные экспериментальные результаты, свидетельствующие о существовании несоизмеримой спин-модулированной структуры в NaCu2O2. В целом, ЯМР-спектроскопия является мощным современным микроскопическим инструментом исследования магнитных явлений, причем естественным образом в присутствии магнитного поля. Спектры ЯМР позволяют исследовать пространственно неоднородное распределение электронной спиновой поляризации, в то время как поведение скоростей релаксации (1/T1,1/T2) отражает особенности спектра низкоэнергетических возбуждений. Кроме того, российская сторона имеет большой опыт ЯКР исследований в сочетании с ab-initio расчетами электронной плотности и параметров ГЭП, что позволяет эффективно отслеживать минимальные локальные изменения электронной и кристаллической структуры при изменении внешних параметров в исследуемых системах. Данный проект предоставляет возможность объединить усилия ЯМР экспертов из России и Индии. Экспериментальные возможности, имеющиеся у обеих сторон дополняют друг друга, способствуя максимальной эффективности использования оборудования.

Проведены измерения спектров ЯМР ядер 31Р в низкоразмерной спиновой системе Сu2[PO3(CH2)PO3] с целью уточнения характера основного состояния. Установлено, что основное состояние Сu2[PO3(CH2)PO3] может быть описано моделью взаимодействующих альтернированных Гейзенберговских АФМ цепочек с величиной щели в спектре магнитных возбуждений порядка 25 К, причем магнитные и структурные димеры в этой системе не совпадают. Проведено исследование эволюции спин-модулированной магнитной структуры в мультиферроике Bi(1-x)SrxFeO3 при замещении Bi на Sr методами ЯМР на ядрах 57Fe в нулевом магнитном поле и Мессбауэровской спектроскопии. Установлено, что гетеровалентное замещение 7-10 % ионов Bi3+ на ионы Sr2+ приводит к разрушению пространственно-модулированной магнитной структуры в Bi1-xSrxFeO3. Проведено иследование магнитной структуры фрустрированного 2-мерного антиферромагнетика PbBaFe2O5 методами ЯМР в нулевом поле и Мессбауэровской спектроскопии, и сделан вывод о динамическом характере магнитной структуры в PbBaFe2O5, обусловленном быстрыми флуктуациями магнитных моментов железа. Проведено исследование фрустрированной квази-одномерной спиновой системы (Cu1−xZnx)2O2 (х=0-0.12) методами ЯМР и ЭПР спектроскопии. Установлено, что магнитное упорядочение в LiCu2O2 при понижении температуры происходит в два этапа: при Tc2 = 24 К, упорядочивается «a»-компонента спиральной структуры, а при Тс1 = 22.5 К, происходит упорядочение «b»-компоненты спиральной магнитной структуры. Показано, что спектры ЯМР обладают чувствительностью к направлению вектора хиральности спиральной магнитной структуры. Высказано предположение о реализации спин-стекольной структуры с короткодействующими спиральными корреляциями в (ab)-плоскости и случайным взаимным расположением спинов вдоль оси с. Измерены спектры ЯМР и спин-решеточная релаксация ядер 7Li в соединении La2Li0.5Cu0.5O4:Fe(2%), и установлено, что замещение Cu на Fe стимулирует значительные изменения в электронной структуре связей Cu-O в пределах довольно большого объема вокруг центров Fe. Обнаружено аномальное поведение температурной зависимости 1/T1, которая может быть аппроксимирована суммой практически температурно-независимой составляющей (T<150K) и высокотемпературного вклада, имеющего активационную зависимость: 1/T1 ~ exp(−Ea/kT) с энергией активации Ea ≈ 65 мэВ. Измерены спектры ЯМР 6,7Li в недопированном соединении La2Li0.5Cu0.5O4 в интервале температур 2-300 К. Анализ температурной эволюции полученных спектров показал присутствие значительных квантовых магнитных флуктуаций при низких температурах, указывающих на (квази)вырожденность основного состояния дырочных центров (CuO4)^5 и невозможность его описания в рамках модели Жанга-Райса. Исследована кристаллическая структура, проведены измерения магнитной восприимчивости и теплоемкости, а также ЯМР-эксперименты в ванадиевой треугольной магнитной системе BaV3O8 со спинами S = 1/2 и фрустрированным взаимодействием. Установлено наличие магнитного упорядочения при T_N=5.9 К, причем температура упорядочения не смещается при приложении поля. Обнаружено резкое уширение спектров ЯМР немагнитных ионов ванадия V5+ и возникновение аномалий на температурных зависимостях скоростей спин-решеточной 1/T1(T) и спин-спиновой 1/T2(T) релаксации ядер 51V при T~6K, подтверждающих установление дальнего магнитного порядка в системе BaV3O8. Методами ЯМР и ЯКР спектроскопии исследована магнитная структура основного состояния в изоструктурных низкоразмерных системах Ba3Cu3In4O12 и Ba3Cu3Sc4O12. Установлено, что структура спиновых цепочек в этих соединениях может быть описана моделью CuI-2CuII тримеров с низкоспиновым S = 1/2 основным состоянием, образованным немагнитным спиновым синглетным состоянием димера CuII и спин-поляризованным ионом CuI.