КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 16-12-10456

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

РуководительПисарев Роман Васильевич, Доктор физико-математических наук

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

Года выполнения при поддержке РНФ2016 - 2018

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

Код ГРНТИ29.19.43


СтатусУспешно завершен


 

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.

Ожидаемые результаты
Исследования по проекту будут целенаправленно ориентированы на выявление особенностей взаимодействий между магнитными и немагнитными подсистемами в сложных магнитоупорядоченных объектах и исследованию возможностей управления магнитным состоянием таких сред, основанного на сверхбыстрой лазерно-индуцированной модуляции этих взаимодействий. Это позволит, во-первых, получить полную картину фундаментальных взаимодействий, определяющих сложную структуру оксиборатов переходных металлов, построить для них магнитные фазовые диаграммы. Во-вторых, полученная информация позволит провести мотивированный поиск эффективных способов управления магнитным состоянием исследуемых сред фемтосекундными лазерными импульсами, основанного либо на прямом селективном воздействии на одну или несколько подрешеток, либо на опосредованном воздействии, вовлекающем решеточные возбуждения ионов, ответственных за обменное и другие взаимодействия. Такие исследования, кроме прочего, позволят предложить рекомендации по эффективному управлению магнитным состоянием в более широком классе материалов со сложными магнитными структурами. Также будут определены перспективы практического использования оксиборатов переходных металлов в качестве активных и пассивных элементов в приборах субтерагерцового, терагерцового и оптического частотных диапазонов.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Ni3(BO3)2: 1. Методами Рамановского рассеяния света и ИК спектроскопии обнаружены и идентифицированы все фононные моды в борате Ni3(BO3)2 , предсказанные ab initio расчетами совместно с теоретико-групповым анализом, 8 Ag + 8 B1g + 7 B2g + 7 B3g + 7 Au + 7 B1u + 11 B2u + 11 B3u, за исключением неактивных “тихих” 7 Au и акустических B1u + B2u + B3u мод. 2. Обнаружены новые фононные линии, появляющиеся при магнитном упорядочении в спектрах ИК пропускания. Предполагается, что они связаны с активацией тихих фононов Au, или перебрасыванием фононов с границы в центр зоны в результате фолдинга. 3. Установлено изменение правил отбора рамановского рассеяния в магнитоупорядоченной фазе, проявляющееся в активации запрещенных фононов определенной симметрии B2g в поляризации z(xy)-z. 4. Проведен симметрийный анализ, на основании которого предложена непротиворечивая модель магнито-структурного перехода. 5. Обнаружены одномагнонные возбуждения системы ионов Ni2+ в низкочастотной области 10 - 40 см-1. Изучено температурное поведение параметров указанных возбуждений. 6. В области частот 80 - 150 см-1 обнаружено пересечение нескольких широких полос, образующих контур сложной формы, предположительно возникающих вследствие сосуществования двухмагнонной полосы и одноионных возбуждений. Часть указанных возбуждений наблюдается вплоть до температур ~ 2TN, переходя в квазиупругое рассеяние. 7. Исследованы спектры ИК поглощения в магнитных полях до 30 T. Построены диаграммы частота - поле. Обнаружено существование четырех ветвей одномагнонных возбуждений в нулевом поле, а также нелинейное и немонотонное изменение частот в поле, направленном вдоль антиферромагнитной оси. Выдвинуто предположение о необычайно сложной магнитной структуре. Co3(BO3)2: 8. Изучены спектры комбинационного рассеяния в интервале температур 10 - 300 K. Обнаружена жесткая магнитная мода в области частот 40 см-1. PbFeFO4: 9. Детально исследована динамика решетки. Существенно увеличено количество мод по сравнению с известными ранее. Опровергнута гипотеза о наличии short-ordering упорядочения. 10. С помощью симметрийного анализа удалось объяснить наблюдавшиеся ранее запрещенные для предполагаемой магнитной структуры рефлексы в нейтронном рассеянии и аномалии в кривых восприимчивости. 11. Впервые зарегистрированы магнитные возбуждения, одно из которых двухмагнонное с частотой ~ 180 см-1, второе, с частотой ~ 100 см-1 остается неизвестным. 12. Обнаружено аномальное Фано-подобное асимметричное уширение фононной линии вблизи 160 см-1 в области пересечения с двухмагнонной полосой. Предполагается, что данный эффект связан с модуляцией межцепочечного обменного взаимодействия оптическим фононом O-Pb-O типа. Co2TiO4: 13. Измерены спектры комбинационного рассеяния света в диапазоне 90 - 2000 см-1 в интервале температур 10 - 300 К. В спектрах a(bb)-a при комнатной температуре обнаружено два фонона с частотами 531.8 и 702.2 см-1. В спектрах a(bc)-a наблюдаются фононы, число которых превышает предсказанное теорией групп, возможно это связано с разупорядочением в октаэдрических позициях. 14. Измерены спектры отражения и пропускания в видимом и ИК диапазонах. В диапазоне частот 100 - 800 см-1 зарегистрировано шесть фононов симметрии T1u, что согласуется с теоретико-групповым анализом, в случае заполнения октаэдрических и тетраэдрических позиций разными ионами. 15. Моделирование спектров отражения позволило определить параметры ИК-активных фононных мод и значения диэлектрической проницаемости на нулевых частотах ε_0 и в оптической области спектра ε_~. 16. В спектре ИК пропускания обнаружены полосы поглощения в районе 3800 и 6300 см-1. Предположительно они соответствуют переходам 4A2 ➝ 4T2 и 4A2 ➝ 4T1 в тетраэдрических позициях. В случае второго перехода, вполне возможно, имеет место перекрытие с переходом 4T1g ➝ 4T2g в октаэдрических позициях, однако их разделение не представляется возможным. 17. Измерены температурные зависимости диэлектрической проницаемости в диапазоне температур 4.2 - 350 K и частот от 10 кГц до 1 МГц. 18. Обнаружен аномальный рост диэлектрической проницаемости при понижении температуры от 120 - 130 K вплоть до 4.2 K. По нашему мнению, он может быть объяснен в рамках модели Барретта [Barrett, 1952].

 

Публикации

1. 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).

2. 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).


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Ni3(BO3)2: Проведено исследование низкочастотной части спектров (3-60 см-1) магнитной динамики методами инфракрасной спектроскопии поглощения в полях до 33 Т (Университет Радбоуд, Неймеген, Нидерланды). Установлены немонотонные полевые зависимости магнитных возбуждений (обнаружены 6 ветвей), в том числе при спин-переориентационных переходах. Исследованы спектры высокочастотного ЭПР монокристалла Ni3(BO3)2 в постоянных магнитных полях до 16 Тл (криостат со сверхпроводящими катушками) в различной геометрии магнитного поля (Фойгт, Фарадей). Проведены магнитостатические исследования в сильных импульсных полях до 70 Т. Измерены кривые намагниченности, установлены поля спин-переориентационных переходов, в том числе определено поле спин-флип перехода 48 Т. Проведены расчеты в приближении линейной теории спиновых волн позволившие качественно описать наблюдаемые в эксперименте явления. Co3(BO3)2: Результаты ab initio расчетов динамики решетки позволили идентифицировать все наблюдаемые четные фононные возбуждения и сравнить с фононным спектром ортобората никеля, таким образом установив связь структуры и её динамических свойств. Изучено поведение намагниченности и магнитной восприимчивости порошка Co3(BO3)2 в импульсных магнитных полях до 58 Тл. Определены поля спин-переориентационных переходов составляющие. Cu3(BO3)2: Проведено детальное экспериментальное и теоретическое исследование динамики решетки комплементарными методами инфракрасной и рамановской спектроскопии. Обнаружены 155 из 330 предсказанных фононов. Установлено наличие чрезвычайно низкочастотных фононных мод < 100 см-1, проявляющих спин-фононное ужесточение при температурах близких к TN ~ 10 K. Проведены оптические измерения на тонких сколах монокристаллов, установлен коэффициент поглощения равный 6000 см-1 на максимуме полосы поглощения вблизи 1.8 эВ. Предложена схема расщепления энергетических уровней кристаллическим полем для ионов меди. Как на основании анализа кристаллической структуры методом эффективных координационных чисел так и экспериментально показано, что координация ионов меди существенно более близка к искаженному квадрату из ионов кислорода, нежели к искаженному октаэдру. PbFeBO4: Методами магнитного симметрийного анализа установлены ограничения на знаки обменных взаимодействий и констант анизотропии. Рассчитаны кривые дисперсии спиновых волн и плотности магнитных состояний (mDOS), проведено сравнение с экспериментом. Показано, что магнитная мода вблизи 100 см-1, является оптическим магноном, активируемым наличием антисимметричного (Дзялошинский-Мория) обмена. Показано, что наличие ДМ обмена не вызывает наличие магнитного момента (слабый ферромагнетизм), так как конечная намагниченность в цепочках ионов железа скомпенсирована соседними цепочками. NiWO4: По магнитостатическим измерениям в режимах ZFC (Zero Field Cooling) и FC (Field Cooling), установлена температура магнитного упорядочения TN=62 K, отличающаяся от опубликованной ранее величины ~67 K. Определены парамагнитные температуры Кюри, составившие : θa = −106 K, θb = −85 K, and θc = −91 K. Т, магнитные моменты μa,eff = 3.19μB, μb,eff = 2.93μB, and μc,eff = 3.01μB и g-факторы составившие 2.25, 2.07, and 2.13 для трех осей, соответственно. Малый индекс фрустрации, f = |θ|/TN ≈ 1.5 позволяет предположить незначительную роль магнитных фрустраций для этого объекта. Метод рамановской спектроскопии позволил полностью охарактеризовать фононный спектр, который для четных фононов состоит из 18 мод симметрий Ag и Bg. Симметрийный анализ с использованием методик магнитных пространственных групп и неприводимых представлений позволил установить магнитную пространственную группу кристалла Pa2/c и соответствующее магнитное представление mY1-. Обнаружены магнитные возбуждения различной природы с различными спектральными и температурными зависимостями. Выделен квазиупругий вклад в рассеяние, связанный с магнитными флуктуациями, подавляемый при установлении АФМ порядка. Обнаружены магнонные (акустические и оптические) ветви на 22.5 и 123.3 см-1. Обнаружены дополнительные возбуждения магнитной природы на 24, 157.9 и 189.2 см-1 имеющие не спин-волновое происхождение по температурному и поляризационному поведению и расчетам. На основании экспериментальных данных была построена модель магнитной структуры вольфрамата никеля для которой рассчитаны микромагнитные параметры. Вычисления проведены в приближении линейной теории спиновых волн с тремя константами обменного взаимодействия (2 ФМ и 1 АФМ) и двумя одноионными анизотропиями разных знаков. CoWO4: Полностью охарактеризован фононный спектр. Обнаружены все предсказанные теорией групп фононы. При возникновении магнитного упорядочения при TN = 55 K обнаружено проявление спин-фононного взаимодействия. Cu3TeO6: Установлено наличие интенсивного диффузного рассеяния в виде квазиодномерных стержней соединяющих брэгговские рефлексы в монокристаллических образцах Cu3TeO6. Низкотемпературные измерения (<20 K) позволили отвергнуть гипотезу о диффузном рассеянии, вызванном термически-активированными фононами. Предполагается, что оно вызвано локальным разупорядочением в первой координационной сфере иона меди, которая представляет собой квадрат из четырех ионов кислорода. ФЕРРОМАГНИТОПОДОБНЫЕ СОСТОЯНИЯ И ОПТИЧЕСКОЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ НАМАГНИЧЕННОСТИ В ФЕРРИМАГНЕТИКАХ: Теоретически изучено лазерно-индуцированное переключение намагниченности в бинарных ферримагнетиках типа A(p)B(1-p), в которых два вида магнитных ионов занимают позиции случайным образом. Выявлены роли s-d обменного рассеяния, электронно-фононного взаимодействия и спин-решеточной релаксации в оптическое переключение. Предсказано, что переключение требует меньшей плотности возбуждения импульса при температуре, немного ниже температуры магнитной компенсации ТM. ФТОРОПЕРОВСКИТЫ AMF3: Проведено экспериментальное исследование температурных зависимостей диэлектрической проницаемости в KCoF3, RbCoF3, RbMnF3, K0.5Rb0.5MnF3, CsMnF3, NaCoF3, NaMnF3 в диапазоне температур от 4 до 400 K и частот от 20 Гц до 1 МГц. Обнаружена корреляция между видом температурной зависимости. диэлектрической проницаемости и толеранс-фактором Голдшмидта во фтороперовскитах. Выявлено наличие спонтанного отрицательного магнитодиэлектрического эффекта во всех исследованных фтороперовскитах.

 

Публикации

1. 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).

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

3. 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).

4. 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).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В отчетном 2018 г. был достигнут существенный прогресс в направлении исследований неравновесной магнитной динамики и были получены оригинальные научные результаты. Под неравновесной магнитной динамикой понимаются процессы, имеющие место на шкале времен, короче типичных времен спин-решеточной релаксации, т.е. в пикосекундном и фемтосекундном диапазонах. В этой новой области физики магнетизма и магнитных материалов теоретические исследования ведутся с использованием различных моделей и приближений, но следует отметить, что, в силу физической сложности задачи, многие теоретические работы противоречат друг другу. Такое положение, очевидно, требует дальнейшее углубление, и как правило, усложнение исследований. В рамках задач данного проекта было проведено глубокое теоретическое исследование одного из наиболее интересных явлений в области неравновесной динамики, а именно, сверхбыстрое импульсное переключение намагниченности ферримагнетика двумя существенно различными и противоположно ориентированными подрешетками (например, Fe и Gd). Интерес к такой системе обусловлен тем обстоятельством, что каждая отдельная из этих подрешеток по разному, в первую очередь с разной скоростью, реагирует на фемтосекундный лазерный импульс. Это различие в поведении подрешеток обусловлено различиями в электрон-фононном взаимодействии и спин-решеточной релаксации. Решение соответствующих динамических уравнений показало, что переключение намагниченности может иметь место в неком температурном диапазоне вблизи точки T_comp магнитной компенсации подрешеток, а эффективность переключения тем выше, чем ближе находится изучаемый материал к этой точке. Результаты работы доступны на https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.98.014427. Фемтосекундная импульсная спектроскопия в модификации “накачка-зондирование” (pump-probe) является в настоящее время важнейшим методом и интенсивные экспериментальные исследования проводятся на различных группах магнитных металлов и диэлектриков. Нами этот метод был применен к трем типам модельных ферримагнитных и антиферромагнитных материалов. Исследование ферримагнетиков было проведено на модельной системе иттриевого феррита-граната Y3Fe5O12. Эксперименты проводились на сложной установке, в которой в качестве накачки использовались терагерцовые импульсы с частотами в области фононного поглощения , а реакция изучаемого материала на это возмущение регистрировалась по фарадеевскому вращению плоскости поляризации лазерных импульсов. Для получения более надежных и однозначных результатов, кроме иттриевого феррита-граната, изучался также висмут-замещенный гранат (Bi,Y)3Fe5O12, имеющий большее удельное вращение, что существенно повысило надежность результатов. Было установлено, что после сверхбыстрого резонансного возбуждения фононов кристаллической решетки наблюдалось изменение магнитного порядка на двух характерных временных масштабах 1 пс и 100 нс. Анализ результатов и моделирование показали, что эти две динамики непосредственно отражают две стадии достижения равновесия в системе спин-решетка. В первом случае спины и фононы достигают квази-равновесного состояния по энергии за счет фононной индуцированной модуляции обменного взаимодействия; во втором случае избыток спинового момента высвобождается в кристаллическую решетку, что приводит к полному равновесию. Данная модель может быть распространена на другие ферримагнетики и указывают на возможность контроля спинового состояния фононами, в том числе и в антиферромагнетиках. Результаты работы доступны на http://advances.sciencemag.org/content/4/7/eaar5164 и в форме пресс-релиза на https://indicator.ru/news/2018/09/24/izmenit-namagnichennost-dielektrika/. В связи с последним, а именно с проблемой сверхбыстрой динамики антиферромагнетиков, было проведено исследование реакции модельных антиферромагнетиков кубического KNiF3 и одноосного K2NiF4. В этих экспериментах накачка-зондирование использовались сверхкороткие лазерные импульсы с длительностью порядка 10 фс, что позволило изучать магнитную динамику в терагерцовом диапазоне, в котором расположены частоты так называемых двухмагнонных возбуждений, соответствующих двум магнонам с противоположными импульсами вблизи границы зоны Бриллюэна. Эксперименты позволили зарегистрировать когерентные колебания в этих двух антиферромагнетиках на частотах 22 ТГц и 16 ТГц, соответственно. Эти наблюдения несомненно свидетельствовали о двухмагнонных возбуждениях продольных колебаний антиферромагнитного вектора, что не может быть описано термодинамическим подходом в модели Ландау-Лифшица. Это новое явление потребовало создание квантово-механической теории в терминах операторов магнонных пар и когерентных состояний. Было установлено, что фотоиндуцированная спиновая динамика представляет собой макроскопическое перепутывание (entanglement) пар магнонов с фемтосекундным периодом и длиной волны порядка нанометра (было введен термин “фемто-наномагноны”). Результаты работы доступны на https://arxiv.org/abs/1710.03143. В связи с большой важностью спин-фононного взаимодействия в сверхбыстрой магнитной динамике было проведено экспериментальное исследование воздействия фемтосекундных лазерных импульсов на антиферромагнетик CuB2O4, который характеризуется сложной магнитной фазовой диаграммой. С использованием чувствительной методики измерения двупреломления удалось зарегистрировать возбуждение четырех когерентных фононных мод различной симметрии по механизму импульсного вынужденного комбинационного рассеяния (ISRS). Было проведено сравнение результатов эксперимента со спектрами спонтанного комбинационного рассеяния. Это исследование показало важность соотношения между частотой определенной моды и спектральной шириной накачки и зонда. Результаты работы доступны на https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.98.054303. В направлении изучения равновесной магнитной динамики в 2018 г. был исследован новый антиферромагнетик Ni2NbBO6, который привлек наше внимание в связи нашими ранее опубликованными результатами по другим антиферромагнетикам на основе двухвалентного никеля Ni2+, а именно Ni3(BO3)2 и NiWO4, в которых, наряду с одномагнонными и двухмагнонными возбуждениями, наблюдались также “загадочные” возбуждения имеющие явно магнитную природу. Было проведено детальное исследование магнитной и решеточной динамики с использованием поляризованного излучения в широком спектральном и температурном интервале. Было установлено, что при переходе в антиферромагнитную фазу может происходить как смягчение, так и ужесточение отдельных фононов. Изменение частот фононов свидетельствует о спин-фононном механизме взаимодействии, но, кроме того, для поведение отдельных фононов описывается обычным эффектом ангармонизма. Важным результатом явилось обнаружение магнитных возбуждений в области частот 80 и 120 см-1, которые послужили основой для проведения глубокого теоретического анализа магнитной динамики. Анализ показал, что эти моды соответствуют двухмагнонным возбуждениям. Кроме того, необычным явилось обнаружение интенсивной полосы в области частот 24 см-1. Результаты работы доступны на https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.98.104404. Важность понимания равновесной и неравновесной спиновой динамики в большой степени зависит от микроскопического понимания и макроскопического проявления спин-фононного взаимодействия, и одним из направлений развития исследований в этом направлении является оптическая, магнитная и диэлектрическая спектроскопия. В отчетном году в этом направлении были проведены исследования температурных зависимостей спектров инфракрасного отражения и диэлектрической проницаемости в широкой группе магнитных диэлектриков на основе фтороперовскитов. Принципиально важные новые результаты были получены и опубликованы на основе исследований температурных зависимостей диэлектрической проницаемости в группе манганитов AMnF3 (A=Na, Rb, Cs). Было установлено, что имеются явные свидетельства внутренней нестабильности, механизмы которой тесно связаны с геометрическим толеранс-фактором t. В частности, в NaMnF3 (t=0.78) наблюдался аномальный рост диэлектрической проницаемости ε(T) на 170% при низких температурах Этот рост сопровождается огромным магнитодиэлектрическим эффектом около 25%. Эти результаты позволили нам назвать NaMnF3 потенциальным мультиферроиком и изучение сверхбыстрой динамики таких материалов представляет большой интерес. Результаты работы доступны на https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.98.060403.

 

Публикации

1. - Физики изменили намагниченность диэлектрика за пикосекунду газета.ru, - (год публикации - ).

2. - Намагниченность диэлектрика изменили за триллионную долю секунды Индикатор, - (год публикации - ).

3. - Физики изменили намагниченность диэлектрика за одну триллионную долю секунды Полит.ру, - (год публикации - ).

4. 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).

5. 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).

6. 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).

7. 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).

8. 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).

9. 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. 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).