Новый вклад в современные представления о геликоидальных магнитных системах
Четверг, 14 мая 2020Ученые НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ разработали и апробировали уникальную методику неупругого малоуглового рассеяния нейтронов. Работа «Спиновая киральность и энергетический ландшафт кубических геликоидальных магнетиков», выполненная авторским коллективом — Григорьевым С.В., Алтынбаевым Е.В., Пшеничным К.А., Москвиным Е.В., Малеевым С.В. — стала победителем премии имени И.В. Курчатова, итоги которого были подведены в марте 2020 года.
В современной физике конденсированного состояния важное место занимает исследование сложных магнитных структур, таких как геликоидальные магнетики с взаимодействием Дзялошинского-Мория, которое приводит к возникновению длиннопериодических спиралей определенной киральности, появлению «скирмионной решетки», сложным фазовым переходам с несколькими параметрами порядка. Известно, что магнитная структура соединений типа MnSi построена на иерархии взаимодействий: изотропного обменного взаимодействия, взаимодействия Дзялошинского-Мория, анизотропного обменного взаимодействия и кристаллографической анизотропии. Упорядочение в спираль и её односторонняя закрученность (спиновая киральность) обусловлена взаимодействием Дзялошинского-Мория, возникающим из-за нецентросимметричности кристаллической системы, а волновой вектор спирали равен отношению величин константы Дзялошинского и обменного интеграла. Именно знак взаимодействия Дзялошинского-Мория определяет спиновую киральность системы. Немаловажную роль играет и величина обменного изотропного (ферромагнитного) взаимодействия.
Хрупкое равновесие, обусловленное этими взаимодействиями, может быть легко нарушено внешними силами: давлением, магнитным полем, химическим замещением, что приводит к квантовым фазовым переходам по давлению, магнитному полю или концентрации. Показано, что в магнитных материалах с хиральной кристаллической структурой магноны, распространяющиеся параллельно и антипараллельно внешнему магнитному полю, имеют различный характер, причем знак их невзаимности зависит от хиральности подлежащей объемной кристаллической решетки. Установлено, что знак невзаимности прямо связан с взаимодействием Дзялошинского-Мория, как источником наблюдаемой невзаимности. Определение величин констант обменных взаимодействий и их знаков является актуальной задачей, решение которой позволит создавать системы с заданным значением периода и киральности магнитной спирали в широком температурном диапазоне.
В ходе проведенных авторским коллективом исследований для целого класса геликоидальных магнитных систем были определены основные параметры (знак и величина) обменных взаимодействий.
Перечислим наиболее важные результаты исследований.
Для определения величины жесткости спиновых волн в гелимагнетиках разработана методика неупругого малоуглового рассеяния поляризованных нейтронов. Эксперименты по измерению жескости спиновых волн в гелимагнетиках с взаимодействием Дзялошинского-Мория, поляризованных магнитным полем, методом малоуглового рассеяния нейтронов (МУРН) показали наличие квадратичного закона дисперсии, смещенного в направлении поля на величину волнового вектора спирали. Экспериментально определены константы обменных взаимодействий, формирующих магнитную структуры исследованных соединений. Измерена величина жесткости спиновых волн в зависимости от температуры для бинарных и квазибинарных соединений: MnSi [1], Mn1−x FexSi [2], FeGe [3], Fe1-xMnxGe [4], Fe1-xCoxSi [5,6], Cu2OSeO3 [7].
Методом малоугловой дифракции поляризованных нейтронов определен знак связи магнитной и структурной киральности для целого ряда квазибинарных соединений на основе MnSi, FeSi, CoSi и MnGe, FeGe, CoGe. Обнаружено изменение знака связи магнитной и структурной киральностей с концентрацией в соединениях Fe1-xCoxSi, Fe1-xCoxGe и Fe1-xMnxGe [8-10].
Была предложена теория, уточняющая существующую модель Бака-Йенсена, в которой преобладание кристаллографической анизотропии над взаимодействием Дзялошинского–Мория приводит к ферромагнитному упорядочению в системе.
Продемонстрировано явление магнитохиральной невзаимности распространяющихся магнонов для нецентросимметричных гелимагнетиков MnSi, Fe1-xCoxSi и Cu2OSeO3.
Установленные закономерности вносят значительный вклад в современные представления о геликоидальных магнитных системах. Разработанная и апробированная методика неупругого малоуглового рассеяния нейтронов является уникальной и позволяет экспериментально определить константы обменных взаимодействий, формирующих энергетический ландшафт магнитной системы.
- Phys.Rev.B, 92, 220415(R) (2015).
- Phys. Rev. B, 97, 024409 (2018).
- Phys. Rev. B, 95, 134415 (2017).
- JMMM, 459, 159 (2018).
- Письма в ЖЭТФ, 107, 673 (2018).
- Phys. Rev. B, 100, 094409 (2019).
- Phys. Rev. B, 99, 054427 (2019).
- PRL, 110, 207201 (2013).
- PRB, 90, 174414 (2014).
- PRB, 91, 184406 (2015).