Равновесная и неравновесная спиновая динамика многоподрешеточных сильно коррелированных магнитных диэлектриков с конкурирующими обменными, спин-орбитальными и магнон-фононными взаимодействиями

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 16-12-10456

НазваниеРавновесная и неравновесная спиновая динамика многоподрешеточных сильно коррелированных магнитных диэлектриков с конкурирующими обменными, спин-орбитальными и магнон-фононными взаимодействиями

Руководитель Писарев Роман Васильевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-207 - Магнитные явления

Ключевые слова Cпиновая динамика, структурно-сложные многоподрешеточные магнетики, рамановская и инфракрасная спектроскопия, селективное оптическое управление магнитными параметрами, обменное, спин-орбитальное, магнон-фононное взаимодействия

Код ГРНТИ29.19.43

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на экспериментальное и теоретическое исследование роли обменного, спин-орбитального и магнон-фононного взаимодействий в твердых телах на формирование магнитных структур, спектра элементарных возбуждений и процессов возбуждения и релаксации сверхбыстрой фемтосекундной спиновой динамики в сложно-подрешеточных диэлектрических оксиборатах переходных металлов. Эти типы взаимодействий достаточно хорошо изучены в простых оксидах переходных металлов, но приобретают совершенно неожиданное воплощение в сложных по структурному и химическому строению магнитных оксидах. В проекте будут изучены две группы оксиборатов типа 1. A3(BO3)2 (A=Co, Ni, Cu) и 2. PbABO4 (A=Mn, Fe), в которых имеются несколько конкурирующих вкладов в фундаментальные взаимодействия, что может приводить к возникновению сложных магнитных структур и нетривиальной спиновой динамике. Так, для первой группы A3(BO3)2 характерны цепочечная (квазиодномерная) магнитная структура, фрустрированность межцепочечного обмена, расположение магнитных ионов в кристаллографически-неэквивалентных позициях и различия в численном заполнении различных кристаллографических позиций. Например, Ni3(BO3)2, по-видимому, может представить собой редкий пример фрустрированного антиферромагнетика. Вторая группа PbABO4, также представляет собой низкосимметричные, квазиодномерные магнетики, причем тип магнитного упорядочения в них определяется типом иона переходного металла. Так, кристалл PbFeBO4 - антиферромагнетиком, а PbMnBO4 ферромагнетиком, что представляет уникальное явление, не нашедшее на данный момент четкого микроскопического объяснения. Проект направлен на решение двух тесно связанных задач. Первая из них - это раскрытие характера взаимодействий между различными неидентичными магнитными подсистемами и их взаимодействия с фононной и орбитальной подсистемами. Вторая задача заключается в поиске путей сверхбыстрого управления состоянием сложных магнитных сред, основанного на модуляции взаимодействий между разными подсистемами, индуцированной внешними воздействиями. Для решения поставленных в проекте задач в объектах со столь сложными кристаллическими структурами, характеризуемыми конкурирующими взаимодействий внутри и между магнитными подсистемами, требуется адекватный выбор комплекса методов исследований, позволяющих получить информацию о статической структуре и равновесной и неравновесной динамике в исследуемых средах. Предлагаемый нами подход к решению проблемы основан на современной экспериментальной базе, включающей: комбинационное (рамановское) рассеяние света с набором источников возбуждения в спектральном диапазоне от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного спектра (это позволит оптимизировать возбуждение за счет резонансного усиления); инфракрасную спектроскопию высокого разрешения от суб-терагецового до видимого диапазона; оптическую и магнитооптическую спектроскопию с фемтосекундным временным разрешением (pump-probe) с возможностью селективного возбуждения отдельных магнитных подсистем в спектральном диапазоне 3000 нм - 310 нм во внешних магнитных полях до 2 Т; измерения магнитных, электрических и диэлектрических свойств с использованием системы PPMS в полях до 14 Т. Все исследования будут проводиться в широких температурных интервалах от температур жидкого гелия. Предварительная характеризация изучаемых объектов будет проводиться с применением рентгеноструктурных, рентгено-топографических, атомно-силовых и оптических методов. Магнитные возбуждения в выбранных объектах будут изучены методами комбинационного рассеяния и инфракрасной спектроскопии. Эти два метода, в зависимости от кристаллической структуры, могут, в силу правила альтернативного запрета, либо дополнять друг друга, либо дублировать. Для изучения одномагнонных возбуждений (суб- и терагерцовый диапазон) будут применены оба метода. Экспериментальное наблюдение одномагнонных возбуждений, число которых связано с количеством магнитных неэквивалентных подрешеток. Комбинационное рассеяние также позволит получить важную информацию о двухмагнонных возбуждениях (мульти-терагерцовый диапазон). На основании этих исследований мы сможем сделать заключение о характере и силе обменного взаимодействия внутри подрешеток и между ними, силе магнитной анизотропии и вкладах в нее, а также о магнон-магнонных взаимодействиях. Анализ этих результатов позволит впервые сформировать полную картину магнитных возбуждений, определить связи между магнитными и решеточными подсистемами, в частности магнитными и структурными параметров порядка, а также получить информацию о магнитоупругом взаимодействии. На основе этой информации мы сможем определить, какие взаимодействия могут позволить осуществить управление магнитным параметром порядка в оксиборатах за счет возбуждения фемтосекундными лазерными импульсами. Для изучения этой проблемы будут проведены эксперименты по сверхбыстрому оптическому возбуждению и последующей релаксации магнитных подсистем с использованием фемтосекундной спектроскопии накачка-зондирование. Особое внимание будет уделено селективному возбуждению фононов или спинов, принадлежащих к той или иной подсистеме, что может позволить исследовать динамику, связанную с обменным и фонон-магнонным взаимодействием в отдельных подрешетках и между ними. Именно обменная динамика рассматривается в настоящий момент как основа наиболее эффективного и быстрого управления магнитным состоянием сред. Кроме того, будут поставлены эксперименты по возбуждению двухмагнонных мод короткими лазерными импульсами, сообщения о которых на сегодняшний день в литературе отсутствуют. Для реализации этой возможности будет проведено исследование вклада различных магнитных подсистем в диэлектрический отклик изучаемых материалов в оптическом частотном диапазоне, включающем область перестройки фемтосекундного лазера. Следует отметить, что планируемые исследования представляют собой по-настоящему передовой край в области сверхбыстрой лазерно-индуцированной динамики, так как направлены на изучение динамики, которая принципиально не может быть описана в макроспиновом термодинамическом приближении. Результаты выполнения проекта позволят получить полную картину по важнейшим микроскопическим параметрам магнитных и решеточных структур, возможностями управления ими лазерными импульсами, и на этой основе сформулировать перспективы практического использования оксиборатов переходных металлов, и возможно сходных материалов, в субтерагерцовом, терагерцовом и оптическом частотном диапазоне.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Дубровин Р.М., Кижаев С.А., Сырников П.П., Гесланд Ж.-И., Писарев Р.В. Unveiling hidden structural instabilities and magnetodielectric effect in manganese fluoroperovskites AMnF3 Physical Review B, Phys. Rev. B 98, 060403(R) (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevB.98.060403

2. Гриднев В.Н. Ferromagneticlike states and all-optical magnetization switching in ferrimagnets Physical Review B, Phys. Rev. B 98, 0014427 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevB.98.014427

3. Молчанова А.Д. Экспериментальное исследование и анализ спектров поглощения ионов Ni2+ в ортоборате никеля Ni3(BO3)2 Физика твердого тела, Физика твердого тела, 2018, т. 60, вып. 10, с. 1916 (год публикации - 2018)
10.21883/FTT.2018.10.46518.129

4. Маерлейн С.Ф., Раду И., Малдонадо П., Паарманн А., Генш М., Калашникова А.М., Писарев Р.В., Вольф М., Опеннир П.М., Бакер Д., Кампфрат Т. Dissecting spin-phonon equilibration in ferrimagnetic insulators by ultrafast lattice excitation Science Advances, Science Advances Vol. 4, no. 7, eaar5164 (год публикации - 2018)
10.1126/sciadv.aar5164

5. Имасака К., Писарев Р.В., Безматерных Л.Н., Шимура Т., Калашникова А.М., Сато Т. Excitation of multiple phonon modes in copper metaborate CuB2O4 via nonresonant impulsive stimulated Raman scattering Physical Review B, Phys. Rev. B 98, 054303 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevB.98.054303

6. Просников М.А., Смирнов А.Н., Давыдов В.Ю., Писарев Р.В., Любочко Н.А., Барило С.Н. Magnetic dynamics and spin-phonon coupling in the antiferromagnet Ni2NbBO6 Physical Review B, Phys. Rev. B 98, 104404 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevB.98.104404

7. Баранов П.Г., Калашникова А.М., Козуб В.И., Коренев В.Л., Кусраев Ю.Г., Писарев Р.В., Сапега В.Ф., Акимов И.А., Байер М., Щербаков А.В., Яковлев Д.Р. Спинтроника полупроводниковых, металлических, диэлектрических и гибридных структур Успехи физических наук (год публикации - 2018)
10.3367/UFNe.2018.11.038486

8. Боссини Д., Даль Конте С., Черулло Д., Гомонай О., Писарев Р.В., Боровсак М., Михайлович Д., Синова Ж., Ментинк Й., Разинг Т., Кимель А.В. Laser-driven quantum magnonics and THz dynamics of the order parameter in antiferromagnets Physical Review B (год публикации - 2018)

9. Молчанова А.Д., Просников М.А., Дубровин Р.М., Давыдов В.Ю., Смирнов А.Н., Писарев Р.В., Болдырев К.Н., Попова М.Н. Lattice dynamics and electronic transitions in a structurally complex layered copper borate Cu3(BO3)2 Physical Review B, Vol. 96, Iss. 17, Page 174305 (год публикации - 2017)
10.1103/PhysRevB.96.174305

10. Просников М.А., Давыдов В.Ю., Смирнов А.Н., Волков М.П., Писарев Р.В., Бекер П., Богаты Л. Lattice and spin dynamics in a low-symmetry antiferromagnet NiWO4 Physical Review B, Vol. 96, Iss. 1, Page 014428 (год публикации - 2017)
10.1103/PhysRevB.96.014428

11. Просников М.А., Смирнов А.Н., Давыдов В.Ю., Саблина К.А., Писарев Р.В. Lattice and magnetic dynamics of a quasi-one-dimensional chain antiferromagnet PbFeBO4 Journal of Physics: Condenced Matter, 29, 025803 (7pp) (2017) (год публикации - 2016)
10.1088/0953-8984/29/2/025808

12. Просников М.А., Молчанова А.Д., Дубровин Р.М., Болдырев К.Н., Смирнов А.Н., Давыдов В.Ю., Балбашов А.М., Попова М.Н., Писарев Р.В. Динамика решетки и электронная структура кобальт-титановой шпинели Co2TiO4 Физика твердого тела, том 58, вып. 12, с. 2427 -2433 (год публикации - 2016)
10.21883/ftt.2016.12.43868.239

13. Боссини Д., Даль Конте С., Черулло Д., Гомонай О., Писарев Р.В., Боровсак М., Михайлович Д., Синова Ж., Ментинк Й., Разинг Т., Кимель А.В. Ultrafast quantum dynamics of the order parameter in antiferromagnets induced by femto-nanomagnons Physical Review B (год публикации - 2018)

Публикации