Спин-флуктуационные переходы

Спин-флуктуационные переходы (СФТ) — фазовые переходы в магнитных материалах при участии спиновых флуктуаций под воздействием управляющих параметров (например, температуры или состава материала), не связанное образованием фаз с магнитным порядком ферромагнитного или антиферромагнитного типа или с более сложным типом магнитного упорядочения, в частности геликоидальным. Термин «спин флуктуационные переходы», СФТ был введён С.В.Демишевым в для обозначения данной группы специфических фазовых превращений в магнетиках.

Файл:Magnetic transitions and spin-fluctuation transitions.jpg

Магнитные переходы и спин-флуктуационные переходы (из работы [1]).

Классическим СФТ является переход в фазу спинового нематика. Различие между обычным магнитным фазовым переходом и спин-флуктуационным переходом можно проиллюстрировать с помощью простой классической аналогии. Рассмотрим двумерный магнетик, в котором спины Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle S} (магнитные моменты) схематически представлены двумерным набором магнитных стрелок. В парамагнитной фазе обе средние проекции спина на оси x и y Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \langle S_x \rangle} и Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \langle S_y \rangle} удовлетворяют условиям Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \langle S_x \rangle=\langle S_y \rangle=0} и, следовательно, средний спин на узле равен нулю. Одновременно, в парамагнитной фазе спиновые флуктуации будут изотропны: Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \langle S_x^2 \rangle=\langle S_y^2 \rangle\neq 0} . Это означает, что магнитные стрелки не упорядочены и их положения одинаково флуктуируют по всем направлениям. При обычном магнитном переходе некоторая проекция спина становится отличной от нуля (Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \langle S_y \rangle\neq 0} и Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \langle S_x \rangle=0} ) и образуется магнитная структура, например ферромагнитного типа. В этой фазе спиновые флуктуации могут быть как изотропными, так и анизотропными, но в большинстве случаев тепловые спиновые флуктуации вымерзнут при нулевой температуре, и упорядоченное основное состояние будет возмущаться исключительно нулевыми квантовыми колебаниями. В отличие от рассмотренного случая, для СФП условие Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \langle S_x \rangle=\langle S_y \rangle= 0} выполняется в любой СФТ фазе, однако, условие Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \langle S_x^2 \rangle=\langle S_y^2 \rangle} нарушается в точке спин-флуктуационного перехода и в спин-флуктуационной фазе Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \langle S_x^2 \rangle\neq\langle S_y^2 \rangle} (в примере на рисунке в результате СФП магнитные стрелки начинают «дрожать» анизотропным образом).

Рассмотренный сценарий соответствует известному переходу в фазу спинового нематика, однако СФП являются более широким понятием в физике магнитных явлений. В общем случае СФП можно определить как любой переход, при котором изменяется характер спиновых флуктуаций. Существование СФП нескольких типов было обнаружено у сильно коррелированных металлов Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \ce{CeB_6}} и Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \ce{Mn_{1-X}Fe_{X} Si}} . Помимо упоминавшегося выше СФП в фазу спинового нематика, обнаружены переход, связанный с изменением симметрии спиновых флуктуаций (аналог ориентационного перехода в магнетиках), а также СФП, отвечающие «замерзанию» квантовых и классических флуктуаций. Установлено, что особые спиновые флуктуации связаны с квантовыми критическими точками (в том числе скрытыми), что позволяет идентифицировать их присутствие на магнитной фазовой диаграмме. В недавней работе спин-флуктуационный переход был обнаружен в модели Изинга на случайных центрах. На примере системы Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \ce{Mn_{1-X}Fe_{X} Si}} обсуждается возможность возникновения СФП внутри магнитоупорядоченной фазы. К настоящему моменту СФП сравнительно мало исследованы с теоретической точки зрения. Отмечается, что, по крайней мере, для описания некоторых типов СФП теория фазовых переходов второго рода Ландау оказывается неприменимой.

Литература

• S. V. Demishev Electron Spin Resonance in Strongly Correlated Metalsангл. // Applied Magnetic Resonance. — 2020. — В. 6. — том 51. — С. 473–522. — ISSN 0937-9347. — DOI:10.1007/s00723-020-01203-3

• K. Penc, A. M. Läuchli Introduction to Frustrated Magnetismen-gb / Claudine Lacroix, Philippe Mendels, Frédéric Mila // Springer Series in Solid-State Sciences. — 2011. — том 164. — С. 331. — ISSN 0171-1873. — DOI:10.1007/978-3-642-10589-0

• S. V. Demishev, V. N. Krasnorussky, A. V. Bogach, V. V. Voronov, N. Yu. Shitsevalova Electron nematic effect induced by magnetic field in antiferroquadrupole phase of CeB 6англ. // Scientific Reports. — 2017. — В. 1. — том 7. — С. 17430. — ISSN 2045-2322. — DOI:10.1038/s41598-017-17608-3

• S. V. Demishev, I. I. Lobanova, V. V. Glushkov, T. V. Ischenko, N. E. Sluchanko Quantum bicriticality in Mn1 − x Fe x Si solid solutions: Exchange and percolation effectsангл. // JETP Letters. — 2014. — В. 12. — том 98. — С. 829–833. — ISSN 0021-3640. — DOI:10.1134/S0021364013250085

• S V Demishev, V V Glushkov, S V Grigoriev, M I Gilmanov, I I Lobanova Quantum phase transitions in spiral magnets without an inversion centerангл. // Physics-Uspekhi. — 2016. — В. 6. — том 59. — С. 559–563. — ISSN 1063-7869. — DOI:10.3367/ufne.2016.02.037767

• S. V. Demishev, A. N. Samarin, V. V. Glushkov, M. I. Gilmanov, I. I. Lobanova Anomalous spin relaxation and quantum criticality in Mn1 − xFexSi solid solutionsангл. // JETP Letters. — 2014. — В. 1. — том 100. — С. 28–31. — ISSN 1090-6487. — DOI:10.1134/S0021364014130025

• Н. А. Богословский, П. В. Петров, Н. С. Аверкиев Спин-флуктуационный переход в неупорядоченной модели Изингарус. // Письма в ЖЭТФ. — 2021. — В. 6. — том 114. — С. 383–390.

• S. V. Demishev, V. V. Glushkov, I. I. Lobanova, M. A. Anisimov, V. Yu. Ivanov Magnetic phase diagram of MnSi in the high-field regionангл. // Physical Review B. — 2012. — В. 4. — том 85. — С. 045131. — ISSN 1098-0121. — DOI:10.1103/PhysRevB.85.045131