У фрустрованих магнетиках знайшли новий тип теплопровідності
Кристал фрустрировать магнетика поруч з монетою в один сент
Jason Krizan
Фізики з Прінстонського університету вперше експериментально вивчили транспортні властивості спінових збурень у фрустрованих магнетиках. Нові дані надають важливу інформацію про заплутані частки в невпорядкованих спінових системах. Робота опублікована в Science.
Фрустровані магнетики - це речовини, в яких при низьких температурах спини не можуть впорядковано вишикуватися через геометричних причин. Найпростіший приклад - трикутник, в вершинах якого знаходяться спини. Для мінімізації енергії все вони повинні антипараллельно один до одного, але одночасно для всіх такого стану досягти неможливо. У тривимірному випадку аналогічна ситуація зустрічається в тетраедрах.
Внаслідок цього у фрустрованих магнетиках при низьких температурах існують невпорядкованості, які можуть переміщатися по матеріалу, і таким чином переносити, наприклад, тепло. Авторам статті вдалося експериментально виміряти транспортні властивості таких невпорядкованість і описати їх в термінах квазі-частинок.
Для проведення експерименту вчені виростили кристали Tb2Ti2O7, що має структуру пірохлору , Він як раз є фрустрировать антиферомагнетики. У його кристалічній структурі є два мотиви тетраедрів, що перекривають один одного, внаслідок чого спини прагнуть вишикуватися антипараллельно, проте не можуть повністю досягти цього стану через геометричній фрустрації.
Для вивчення відгуку спінових невпорядкованість автори поміщали кристали в магнітне поле. У такій системі теплопровідність виникає через ефекту Холла : В магнітному полі частинки або квазічастинки, які проводять тепло, «зносяться» поперек потоку, створюючи додатковий градієнт температури. Ставлення провідності поперек до провідності вздовж називається кутом Холла. В роботі вивчали залежність цієї величини від напруженості магнітного поля і середньої температури кристала. Сам факт, що ефект Холла спостерігався в речовині-ізоляторі, в якому немає рухомих зарядах, говорить про кардинально нові властивості фрустрованих магнетиків.
Авторам було важливо показати, що транспортні властивості, які вони вимірювали в експерименті, виникають саме через фрустрації, адже існують ще два механізми теплопровідності, які можуть призводити до схожих явищ: фонони і магнони.
фонони - це квазі-частинки, які описують коливання атомів кристалічної решітки. Цей механізм теплопровідності грає величезну роль при досить високих температурах, але пригнічується при наближенні до абсолютного нуля. магнони - це теж квазічастинки. В ідеальному кристалі всі спини прагнуть вишикуватися паралельно, однак при кінцевих (але все одно дуже маленьких) температурах невелике число спінів орієнтується антипараллельно. Отримані неоднорідності якраз і описують в термінах квазі-частинок. Автори показують, що виміряні характеристики не можуть належати ні фононам, ні магнонного, принаймні - ні в одному з відомих теоретичних підходів. Однак вони добре узгоджуються з тим невеликим числом даних, які доступні по фрустрировать Магнетика. Так, зокрема, вчені показують, що по теплопровідності ці матеріали дуже схожі на метали з домішками, а також, що невпорядкованості в них, ймовірно, є ферміонами, тоді як про магнони добре відомо, що вони є бозонами.