Новый вклад в современные представления о геликоидальных магнитных системах

Четверг, 14 мая 2020

Ученые 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.

  1. Phys.Rev.B, 92, 220415(R) (2015).
  2. Phys. Rev. B, 97, 024409 (2018).
  3. Phys. Rev. B, 95, 134415 (2017).
  4. JMMM, 459, 159 (2018).
  5. Письма в ЖЭТФ, 107, 673 (2018).
  6. Phys. Rev. B, 100, 094409 (2019).
  7. Phys. Rev. B, 99, 054427 (2019).
  8. PRL, 110, 207201 (2013).
  9. PRB, 90, 174414 (2014).
  10. PRB, 91, 184406 (2015).
Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт