Синтез при высоком давлении новых нецентросимметричных квантовых материалов и изучение их магнитных и электронных свойств возникающих при переходе от металлического состояния с (спиральной магнитной структурой) топологической решеткой скирмионов к полуметаллам с фермионами Вейля

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 22-12-00008

НазваниеСинтез при высоком давлении новых нецентросимметричных квантовых материалов и изучение их магнитных и электронных свойств возникающих при переходе от металлического состояния с (спиральной магнитной структурой) топологической решеткой скирмионов к полуметаллам с фермионами Вейля

Руководитель Цвященко Анатолий Васильевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-206 - Высокие давления

Ключевые слова Высокое давление, нецентросимметричная структура, хиральный магнетик, топологические полуметаллы Вейля, дифракция нейтронов, малоугловое рассеяние нейтронов, возмущенная угловая корреляция, ядерный магнитный резонанс, решетка скирмионов

Код ГРНТИ29.19.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Изучение квантовых материалов с сильной электронной корреляцией, в которых обнаружены геликоидальные магнитные структуры с образованием топологических скирмионных решеток и фермионов Вейля может не только значительно поспособствовать развитию физики высоких энергий и конденсированных сред, но и создать основу для их применения в качестве носителей информации и электроники на новых принципах. Концепция скирмионов была предложена Тони Скирмом (Т. Skyrme) в 1960-х годах для учета стабильности барионов в физике элементарных частиц. Скирмион - это частица, определяемая квантованными топологическими дефектами [1]. Наиболее широко модель Скирма была применена к геликоидальным магнитным системам, в которых магнитные скримионы представляли собой локальную спиновую текстуру [2, 3]. Первое экспериментальное наблюдение магнитных скирмионов было обнаружено в соединениях MnSi и Fe(1-x)Co(x)Si с нецентросимметричной хиральной структуктурой типа B20 [4, 5]. Фермион Вейля был впервые предсказан в 1929 году, как решение уравнение Дирака для безмассовой частицы, но не был наблюдаемым в эксперименте [6]. Он обладает уникальными свойствами и может быть использован в квантовых компьютерах. Доказательство существования фермионов Вейля было найдено в твердых телах, в частности, в нецентросимметричных кристаллах (В20) всего несколько лет назад, которые были названы топологическими полуметаллами Вейля [7]. Семейство интерметаллических соединений с сильным спин-орбитальным взаимодействием членами которого являются такие соединения, как MnSi, FeGe, MnGe, CoSi, CoGe, RhSi, RhGe и RhSn с нецентросимметричной кубической хиральной структурой типа FeSi (В20, пространственная группа Р213) образуют новый класс квантовых материалов, в которых свойства меняются в зависимости от заполнения энергетических уровней 3d-4d - электронами. Благодаря нетривиальному энергетическому ландшафту, соединения с данной структурой и незаполненными 3d- уровнями имеют спиральные магнитные структуры и являются металлами, в которых при воздействии внешнего магнитного поля могут возникать топологические скирмионные решетки. А соединения с почти заполненными 3d- 4d- уровнями являются топологическими полуметаллами, в которых обнаружены фермионы Вейля. К классу магнитных полуметаллов Вейля относят тернарные нецентросиметричные карбиды редкоземельных элементов RTC2 (R - редкоземельный металл, T - переходный металл), использование которых представляется перспективным в квантовых компьютерах. Используя технику синтеза соединений при высоких давлениях и температурах и накопленный в ИФВД РАН опыт, в данном проекте предполагается получить новые квантовые материалы при замещении магнитных 3d- металлов немагнитными 4d-, 5d- металлами (например Mn(1-x)Rh(x)Si) с целью изучения магнитных и электронных свойств, возникающих при переходе от геликоидальных магнетиков к немагнитным полуметаллам Вейля. Также для сравнения будут изучаться соединения со структурой B20 (состава Mn(1-x)(Ru,Os,Ir)(x)Si) и Mn(1-x) (Rh,Ru,Os,Ir)(x)Ge, в которых при замещении возникает переход от металлического состояния к полупроводниковому через магнитное с электронной структурой, в которой могут существовать точки Дирака. В проекте с целью получения новых геликоидальных магнетиков с более высокими температурами магнитного перехода будут также изучаться высоко энтропийные силициды и германиды 3d-, 4d- переходных металлов, например, RhMnFeCoGe4 (структурный тип В20), в которых будут использованы различные комбинации переходных металлов. Получение новых магнитных полуметаллов с фермионами Вейля на основе редкоземельных карбидов переходных 3d-, 4d- металлов, например NdRh(1-x)Co(x)C2, и изучение их магнитных и электронных свойств с целью сравнения с соединениями со структурой В20 представляется важным при выполнении настоящего проекта. Будут проведены систематические исследования их структуры при низких температурах и высоких давлениях. В проекте макро-методами будут изучены магнитные, электрические и тепловые свойства новых квантовых материалов как при низких температурах, так и высоких давлениях. Будет исследовано изменение магнитных структур, возникающих при замещении d- переходных элементов ядерно-физическими методами: нейтронной порошковой дифракцией, мало-угловым рассеянием нейтронов, эффектом Мессбауэра, ядерным магнитным резонансом, возмущенными угловыми гамма-гамма корреляциями и методами с использованием синхротронного излучения. Коллектив исследовательской группы состоит из опытных и молодых сотрудников Института физики высоких давлений РАН, Петербургского института ядерной физики и сотрудников Института физики металлов Уральского отделения РАН. Литература: [1] T. A. Skyrme, Nucl. Phys. 31, 556−569 (1962). DOI: 10.1016/0029-5582(62)90775-7 [2] A. N. Bogdanov, D.A. Yablonskii, Sov. Phys. JETP 68, 101 (1989). [3] U. K. Rösler, A. N. Bogdanov, C. Pfleiderer, Nature 442, 797-801 (2006). DOI: 10.1038/nature05056 [4] S. Mühlbauer et al., Science 323, 915-919 (2009). DOI: 10.1126/science.1166767 [5] Yu X. Z. Onose et al. Nature 465, 901-904 (2010). DOI: 10.1038/nature09124 [6] H. Z. Weyl, I. Zeitschrift fur Physik 56, 330 (1929). DOI: 10.1007/BF01339504 [7] S. Xu I. Belopolski Science 349, 613 (2015). DOI: 10.1126/science.aaa9297 [8] R. Ray et al., arXiv:2006.10602 (2020).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Саламатин Д.А., Сидоров В.А., Суровец З., Боков А.В., Магницкая М.В., Щелкачев Н.М., Виртель М., Будзинский М., Цвященко А.В. The hyperfine magnetic fields and the effect of high pressure on the magnetic transition temperatures of the noncentrosymmetric FeRhGe2 compound (B20) Journal of Physics: Condensed Matter, Volume 34, Number 42 (год публикации - 2022)
10.1088/1361-648X/ac885d

2. Сканченко Д.О., Алтынбаев Е.В., Сидоров В.А., Шабуссан Г., Мартен Н., Петрова А.Е., Саламатин Д.А., Григорьев С.В., Щелкачев Н.М., Магницкая М.В., Цвященко А.В. Split of the magnetic and crystallographic states in Fe1−xRhxGe Journal of Alloys and Compounds (год публикации - 2023)
10.1016/j.jallcom.2022.167943

3. Д.А. Саламатин, К.В. Клементьев, В.Н. Краснорусский, М.В. Магницкая, Н.М. Щелкачёв, В.А. Сидоров, А.В. Семено, А.В. Боков, М.Г. Козин, А.В. Николаев, А.В. Саламатин, А. Величков, М.В. Михин, М. Будзинский, А.В. Цвященко The new high-pressure hexagonal Laves phase of the YbZn2 compound Journal of Alloys and Compounds, Volume 946, 169275 (год публикации - 2023)
10.1016/j.jallcom.2023.169275

4. Д. А. Саламатин, В. Н. Краснорусский, М. В. Магницкая, А. В. Семено, А. В. Боков, А. Величков, З. Суровец, А. В. Цвященко Some Magnetic Properties and Magnetocaloric Effects in the High-Temperature Antiferromagnet YbCoC2 Magnetochemistry, 9, 6, 152 (год публикации - 2023)
10.3390/magnetochemistry9060152

5. Д. А. Саламатин, А. В. Боков, М. Г. Козин, И. Л. Ромашкина, А. В. Саламатин, М. В. Михин, А. Е. Петрова, В. А. Сидоров, А. В. Николаев, З. Фиск, А. В. Цвященко Anomalous Positron Lifetime in Single Crystal of Weyl Semimetal CoSi Crystals, 13, 3, 509 (год публикации - 2023)
10.3390/cryst13030509

6. Д.О. Сканченко, Е.В. Алтынбаев, Н. Мартин, Д.А. Саламатин, Р.А. Садыков, А.В. Цвященко Magnetic structure of Mn0.7Fe0.3Ge compound under quasi-hydrostatic pressure Journal of Surface Investigations: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 17, 1 (год публикации - 2023)

7. Алексей Семено, Михаил Анисимов, Алексей Богач, Сергей Демишев, Николай Щелкачёв, Владимир Краснорусский, Светлана Грибанова, Сергей Дунаев, Александр Грибанов Ce2Pd21Si6 vs. Ce3Pd20Si6: effect of Ce/Pd substitution on the physical properties Journal of Solid State Chemistry, 330, 124462 (год публикации - 2023)
10.1016/j.jssc.2023.124462

8. Краснорусский В.Н., Семено А.В., Анисимов М.А., Саламатин Д.А., Боков А.В., Щелкачёв Н.М., Магнитская М.В., Сидоров В.А., Богач А.В., Цвященко А.В. Study of magnetic, thermodynamic and transport properties of Laves phase NdRh2 Journal of Magnetism and Magnetic Materials , 610, 172480 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jmmm.2024.172480

9. Краснорусский В.Н., Боков А.В., Волкова З.Н., Геращенко А.П., Щелкачёв Н.М., Магницкая М.В., Сканченко Д.О., Алтынбаев Е.В., Алферьев И.В., Саламатин Д.А., Сидоров В.А., Семено А.В., Бражкин В.В., Цвященко А.В. Disorder-induced Coexistence of Itinerant Low-spin and Localized High-spin States of Mn in Rh-Doped MnSi Physical Review Materials (год публикации - 2024)

10. Демишев С.В., Краснорусский В.Н., Оськин А.Е., Боков А.В., Зибров И.П., Саламатин Д.А., Семено А.В., Сидоров В.А., Энкович П.В., Бражкин В.В., Цвященко А.В. Рекордный рост температуры Кюри вплоть до комнатных значений в нецентросимметричном магнетике Mn1-xRhxSi Письма в ЖЭТФ (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проведены измерения электронного спинового резонанса в в Mn1-xR hxSi для x=0.65, 0.7, 0.325 и для каждой системы получены температурные зависимости g-фактора, ширины линии и интегральной интенсивности. Обнаружено качественное изменение характера поглощения при изменении состав с x=0.65 до x=0.7. Если линия ЭСР для x=0.7 хорошо описывается в рамках модели локализованного магнитного момента в проводящее системе, то для x=0.65 наблюдается заметное искажение формы линии, что может свидетельствовать о неоднофазном магнитном состоянии этого соединения. Такое поведение согласуется с результатами магнитных измерений, в которых в составе x=0.65 наблюдается высокотемпературный переход при T>200K. В обоих составах x=0.65 и x=0.7 обнаружено расхождение при понижении температуры T<100K зависимости величины интегральной интенсивности ЭСР (осциллирующей намагниченности) от зависимостей статической намагниченности. Такое поведение может свидетельствовать о формировании магнитной фазы, не являющейся ЭСР-активной. Проведены измерения электронного спинового резонанса в в Mn1-xRuxSi для x=0.25, 0.5, 0.75 и для каждой системы получены температурные зависимости g-фактора, ширины линии и интегральной интенсивности. Измерения проводились в цилиндрическом резонаторе на частоте f=60 ГГц при температурах до T=4.2K. Линия поглощения имеет сложную форму, что свидетельствует о неоднородном характере уширения. Зависимость интенсивности ЭСР для x=0.25 хорошо совпадает со статической намагниченностью Были проведены измерения карт малоуглового рассеяния нейтронов для соединения Mn(1-x)Rh(x)Si (В20) с x = 0.02 начиная с парамагнитной области при температурах выше 30 К и заканчивая магнитоупорядоченной областью вплоть до температуры 5 К в нулевом магнитном поле. Карты малоуглового образца, измеренные при температурах T = 5, 10 и 15 К имеют типичный вид для поликристаллического магнитного соединения со структурой B20. Наличия выраженного кольца рассеяния указывает на сосуществование магнитных со случайной ориентацией волнового вектора ks. Дальнейшее увеличение температуры вплоть до 20 К демонстрирует полное исчезновения сигнала рассеяния, связанного с геликоидальной магнитной структурой магнитных моментов. Также были проведены измерения зависимости вектора магнитной спирали от температуры для соединения Mn0.98Rh0.02Si. В результате проведенных измерений малоуглового рассеяния нейтронов нами была определена фазовая диаграмма магнитное поле – температура для соединения Mn0.98Rh0.02Si и определены соответствующие зависимости критических магнитных полей. Показано, что А фаза наблюдалась в широкой области фазовой диаграммы. Аналогичные увеличение области связанной с А фазой наблюдалось ранее для изоструктурных соединений Mn1−xFexGe. Для соединения состава х=0.02 по картам интенсивности была построена Н-Т диаграмма В целом сценарий легированных родием соединений MnSi аналогичен для теплоемкости случаю 3d-металлов. Однако острый пик подавляется уже при x=0,02. Широкий максимум смещается в сторону более низких температур при увеличении x и исчезает при x=0,1, где имеет место монотонное увеличение C(T)/T при низких температурах. Высокотемпературный магнитный переход в Mn0,85Rh0,15Si не проявляется в зависимости C(T)/T. Для высокотемпературных соединений Mn1-xRhxSi с концентрацией родия x > 0,7 наблюдается сигнал ЯМР 55Mn в высокочастотной области 100 – 400 МГц что указывало на среднее значение магнитного момента марганцев ~ 1,3 – 1,4 мкБ и ~ 2,2 – 2,3. Из исходных компоненты (Os, Ru, Si, Ge и Sn, сооветственно) при высоком давлении и температуре были получены образцы соединений OsSi, OsGe, RuSn . При высоком давлении был проведен синтез образцов соединений Mn(1-x)Os(x)Si и Mn(1-x)Os(x)Ge со структурой В20. Для однофазных соединений Mn1-xOsxSi (где x=0, 0.05 и 0.15) и Mn0.95Os0.05Ge с геликоидной магнитной структурой измерено сопротивление, поперечное магнитосопротивление и холловское сопротивление (только для Mn0.95Os0.05Ge) в диапазоне температур 2 − 300К, в магнитных полях до 82кЭ.Для Mn0.95Os0.05Ge, указанном диапазоне температур (Т < T*) также обнаружена линейная связь между амплитудой отрицательного магнитосопротивления и квадратом магнитного поля Δρ/ρ = −Н2 . При высоком давлении 8 ГПа и высокой температуре из исходных компонент (Ce, Rh, C) был проведен синтез соединения CeRhC2. Синтез проводился при высоком давлении 8 ГПа и высокой температуре (около 1500 градусов). В образце обнаружена фаза CeRhC2 с орторомбической структурой типа CeNiC2 и примеси других фаз. Спектры комбинационного рассеяния света для соединений RhGe, RuGe, CoGe и RhSi (все в кубической структуре типа B20) были получены в геометрии обратного рассеяния поляризационные спектры комбинационного рассеяния света. Для RuGe романовские спектры были измерены до давления 40 ГПа. Измерения порошковой рентгеновской дифракции в диапазоне давлений 0 — 14.5 ГПа при комнатной температуре. Изменения структуры не обнаружено. Изменений в спектрах не обнаружено, что указывает на отсутствие фазового перехода из В20 в В2 Для соединения SmCoC2 было выполнено комплексное исследование магнитотранспорта (сопротивление, поперечное магнитосопротивление, эффект Холла) в широком диапазоне температур 1.6 − 300К, в магнитных полях до 82кЭ. Было обнаружено, что поперечное магнитосопротивление (МС) SmCoC2 является. При поле, фиксированном в интервале 10кЭ ≤ Н ≤ 80кЭ, обнаружена изобестическая точка при Tiso ≈ 17.8К

Публикации