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].

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.

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.