WikiDer > Спин-лед - Википедия

Spin ice - Wikipedia
Рисунок 1. Расположение атомов водорода (черные кружки) вокруг атомов кислорода (белые кружки) во льду. Два атома водорода (нижние) - это Закрыть к центральному атому кислорода, а два из них (верхние) далеко и ближе к двум другим (вверху слева и вверху справа) атомам кислорода.

А вращать лед магнитное вещество, не имеющее ни единого состояние с минимальной энергией. Она имеет магнитные моменты (т.е. "вращение") как элементарные степени свободы, которые подлежат неудовлетворенные взаимодействия. По своей природе эти взаимодействия препятствуют тому, чтобы моменты проявляли периодический узор в их ориентации вплоть до температуры, намного меньшей энергетической шкалы, установленной упомянутыми взаимодействиями. Игольчатый лед проявляет низкотемпературные свойства, остаточная энтропия в частности, тесно связанные с обычными кристаллическими ледяная вода.[1] Самый выдающийся соединения с такими свойствами титанат диспрозия (Dy2Ti2О7) и титанат гольмия (Хо2Ti2О7). Ориентация магнитных моментов в спиновом льду напоминает позиционную организацию атомов водорода (точнее, ионизированного водорода или протоны) в обычном водяном льду (см. рисунок 1).

Эксперименты нашли доказательства существования деконфигурированный магнитные монополи в этих материалах,[2][3][4] со свойствами, напоминающими свойства гипотетических магнитных монополей, предположительно существующих в вакууме.

Техническое описание

В 1935 г. Линус Полинг отметил, что атомы водорода в водяном льду, как ожидается, останутся неупорядоченными даже при абсолютный ноль. То есть даже при остывании до нуля температура, ледяная вода ожидается, что будет остаточная энтропия, т.е., внутренняя случайность. Это связано с тем, что гексагональный кристаллический структура обычного водяного льда содержит кислород атомы с четырьмя соседними водород атомы. Во льду для каждого атома кислорода два соседних атома водорода находятся рядом (образуя традиционный H2О молекула), а два находятся дальше (являясь атомами водорода двух соседних молекул воды). Полинг отметил, что количество конфигураций, соответствующих этому «два-близко, два-далеко» ледяное правило растет экспоненциально с размером системы, и, следовательно, что нулевая температура энтропия льда ожидалось обширный.[5] Выводы Полинга были подтверждены удельная теплоемкость измерения, хотя чистые кристаллы водяного льда создать особенно сложно.

Фигура 2. Участок решетки пирохлора из тетраэдров с угловыми связями. Магнитные ионы (темно-синие сферы) сидят на сети тетраэдров, соединенных в своих вершинах. Другие атомы (например, Ti и O), образующие кристаллическую структуру пирохлора, не отображаются. Магнитные моменты (голубые стрелки) подчиняются правилу спинового льда «два входа - два выхода» для всей решетки. Таким образом, система находится в состояние вращения льда.

Спин-льды - это материалы, которые состоят из обычных соединенных углов тетраэдры магнитного ионы, каждый из которых имеет ненулевое магнитный момент, часто сокращается до "вращение", которые в своем низкоэнергетическом состоянии должны удовлетворять правилу" два входа, два выхода "для каждого тетраэдра, образующего кристаллическую структуру (см. рис. 2). Это в значительной степени аналогично правилу два - близко, два - далеко в воде. (см. рис. 1). Так же, как Полинг показал, что правило льда приводит к большой энтропии в водяном льду, так и правило «два входа - два выхода» в системах спинового льда - они демонстрируют одно и тоже остаточные энтропийные свойства как у водяного льда. Как бы то ни было, в зависимости от конкретного материала спинового льда, как правило, гораздо легче создать большие монокристаллы материалов спинового льда, чем кристаллы водяного льда. Кроме того, легкость создания взаимодействия магнитных моментов с внешним магнитным полем в системе спинового льда делает спиновый лед более подходящим, чем водяной лед, для изучения того, как на остаточную энтропию могут влиять внешние воздействия.

Пока Филип Андерсон уже в 1956 г.[6] связь между проблемой расстроенный Я пою антиферромагнетик на (пирохлор) решетки тетраэдров с общими углами и проблемы водяного льда Полинга, настоящие материалы спинового льда были открыты только сорок лет спустя.[7] Первыми материалами, идентифицированными как спиновые льды, были пирохлор Dy2Ti2О7 (титанат диспрозия), Хо2Ti2О7 (титанат гольмия). Кроме того, поступили убедительные доказательства того, что Dy2Sn2О7 (диспрозий станнат) и Ho2Sn2О7 (станнат гольмия) - спиновые льды.[8] Эти четыре соединения принадлежат к семейству редкоземельных оксидов пирохлора. CdEr2Se4, а шпинель в котором магнитный Er3+ ионы сидят на тетраэдрах со связанными углами, также демонстрируют поведение спинового льда.[9]

Для материалов спинового льда характерен случайный беспорядок в ориентации момента магнитного поля. ионы, даже когда материал на очень низкие температуры. Переменный ток (AC) магнитная восприимчивость измерения обнаруживают доказательства динамического замораживания магнитных моментов при понижении температуры несколько ниже температуры, при которой удельная теплоемкость отображает максимум. Широкий максимум в теплоемкость не соответствует фазовому переходу. Вернее, температура, при которой происходит максимум, около 1 K в Dy2Ti2О7, сигнализирует о быстром изменении количества тетраэдров, в которых нарушается правило «два входа - два выхода». Тетраэдры, в которых правило нарушается, - это участки, в которых находятся вышеупомянутые монополи.

Спин-льды и магнитные монополи

Рисунок 3. Ориентация магнитных моментов (голубые стрелки) с учетом одиночного тетраэдра в состоянии спинового льда, как на рисунке 2. Здесь магнитные моменты подчиняются правилу «два входа - два выхода»: существует столько же «поля намагничивания». входит в тетраэдр (две нижние стрелки), как выходит (две верхние стрелки). Соответствующее поле намагниченности имеет нулевую расходимость. Следовательно, внутри тетраэдра нет стока или источника намагниченности, или нет монополь. Если из-за теплового колебания один из двух нижних магнитных моментов изменится с «внутрь» на «наружу», тогда у одного будет конфигурация 1 вход, 3 выхода; отсюда "истечение" намагниченности и, следовательно, положительное расхождение, которое можно было бы отнести к положительно заряженному монополю заряда +Q. Переворачивание двух нижних магнитных моментов даст конфигурацию 0-вход, 4 выхода, максимально возможный "истечение" (т.е. расхождение) намагниченности и, следовательно, связанный монополь заряда +2Q.

Пряные льды геометрически расстроен магнитные системы. В то время как разочарование обычно связано с треугольником или четырехгранный конфигурации магнитных моментов, связанных через антиферромагнитные обменные взаимодействия, как в модели Изинга Андерсона,[6] спиновые льды - это фрустрированные ферромагнетики. Это очень сильная локальная магнитная анизотропия кристаллического поля, заставляющая магнитные моменты указывать либо внутрь, либо из тетраэдра, что приводит к нарушению ферромагнитных взаимодействий в спиновых льдах. Самое главное, это дальнодействующее магнитостатическое диполь-дипольное взаимодействие, и нет обмен ближайшими соседями, который вызывает разочарование, и вытекающее из этого правило «два входа - два выхода», которое приводит к феноменологии спинового льда.[10][11]

Для тетраэдра в состоянии два входа, два выхода намагниченность поле является не расходящийся; в тетраэдр входит столько же «интенсивности намагничивания», сколько выходит (см. рисунок 3). В такой ситуации отсутствия дивергентов не существует ни источника, ни стока для поля. В соответствии с Теорема Гаусса (также известная как теорема Остроградского) ненулевое расхождение поля вызвано и может быть охарактеризовано действительным числом, называемым "обвинять". В контексте спинового льда такие заряды, характеризующие нарушение правила ориентации магнитного момента два входа и два выхода, являются вышеупомянутыми монополями.[2][3][4]

Осенью 2009 года исследователи сообщили об экспериментальном наблюдении низкоэнергетических квазичастицы напоминающие предсказанные монополи в спин-льде.[2] Монокристалл титанат диспрозия Кандидат в спиновый лед исследовался в диапазоне температур 0,6–2,0 К. Использование рассеяние нейтроновбыло показано, что магнитные моменты выравниваются в материале спинового льда в переплетенные трубчатые пучки, напоминающие Струны Дирака. На дефект Магнитное поле, образованное концом каждой трубки, похоже на монопольное. Используя приложенное магнитное поле, исследователи смогли контролировать плотность и ориентацию этих струн. Описание теплоемкость материала в терминах эффективного газа этих квазичастиц.[12][13]

Эффективный заряд магнитного монополя, Q (видеть фигура 3) в соединениях спинового льда диспрозия и титаната гольмия составляет примерно Q = 5 мкмBÅ−1 (Магнетоны Бора на ангстрем).[2] Элементарными магнитными составляющими спинового льда являются магнитные диполи, поэтому появление монополей является примером явления дробление.

Микроскопическое происхождение атомных магнитных моментов в магнитных материалах квантово-механическое; то Постоянная Планка явно входит в уравнение, определяющее магнитный момент электронавместе с зарядом и массой. Тем не менее, магнитные моменты в титанат диспрозия и материалы спинового льда из титаната гольмия эффективно описываются классический статистическая механика, а не квантовая статистическая механика, в экспериментально значимом и разумно доступном диапазоне температур (от 0,05 К и 2 К), где проявляются явления спинового льда. Хотя слабость квантовых эффектов в этих двух соединениях довольно необычна, считается, что ее можно понять.[14] В настоящее время наблюдается интерес к поиску квантовых спиновых льдов,[15] материалы, в которых законы квантовой механики теперь необходимы для описания поведения магнитных моментов. Для генерации квантового спинового льда требуются другие магнитные ионы, кроме диспрозия (Dy) и гольмия (Ho), при этом возможными кандидатами являются празеодим (Pr), тербий (Tb) и иттербий (Yb).[15][16] Одной из причин интереса к квантовому спиновому льду является вера в то, что эти системы могут иметь квантовая спиновая жидкость,[17] состояние вещества, при котором магнитные моменты продолжают колебаться (колебаться) вплоть до абсолютного нуля температуры. Теория[18] описание низкотемпературных и низкоэнергетических свойств квантового спинового льда сродни описанию вакуума квантовая электродинамика, или QED. Это представляет собой пример идеи появление.[19]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Bramwell, S.T .; Гинграс, М. Дж. П. (2001). "Спиновое состояние льда в фрустрированных магнитных пирохлорных материалах". Наука. 294 (5546): 1495–1501. arXiv:cond-mat / 0201427. Bibcode:2001Sci ... 294.1495B. Дои:10.1126 / science.1064761. PMID 11711667. S2CID 9402061.
  2. ^ а б c d Кастельново, С .; Moessner, R .; Сонди, С. Л. (2008-01-03). «Магнитные монополи в спиновом льду». Природа. 451 (7174): 42–45. arXiv:0710.5515. Bibcode:2008 Натур 451 ... 42С. Дои:10.1038 / природа06433. ISSN 0028-0836. PMID 18172493. S2CID 2399316.
  3. ^ а б Чернышёв Олег (03.01.2008). «Магнетизм: свобода полюсов». Природа. 451 (7174): 22–23. Bibcode:2008 Натур 451 ... 22 т. Дои:10.1038 / 451022b. ISSN 0028-0836. PMID 18172484. S2CID 30259694.
  4. ^ а б Gingras, M.J.P. (2009). «Наблюдение монополей в магнитном аналоге льда». Наука. 326 (5951): 375–376. arXiv:1005.3557. Дои:10.1126 / science.1181510. PMID 19833948. S2CID 31038263.
  5. ^ Полинг, Линус (1935). «Структура и энтропия льда и других кристаллов с некоторой случайностью атомного расположения». Журнал Американского химического общества. Американское химическое общество (ACS). 57 (12): 2680–2684. Дои:10.1021 / ja01315a102. ISSN 0002-7863.
  6. ^ а б Андерсон, П. У. (15 мая 1956 г.). «Упорядочение и антиферромагнетизм в ферритах». Физический обзор. Американское физическое общество (APS). 102 (4): 1008–1013. Дои:10.1103 / Physrev.102.1008. ISSN 0031-899X.
  7. ^ Харрис, М. Дж .; Bramwell, S.T .; МакМорроу, Д. Ф .; Zeiske, T .; Годфри, К. У. (29 сентября 1997 г.). «Геометрическая фрустрация в ферромагнитном пирохлоре Хо2Ti2О7" (PDF). Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 79 (13): 2554–2557. Bibcode:1997PhRvL..79.2554H. Дои:10.1103 / Physrevlett.79.2554. ISSN 0031-9007.
  8. ^ Мацухира, Казуюки; Хинацу, Юкио; Тенья, Кеничи; Амицука, Хироши; Сакакибара, Тоширо (15 июня 2002 г.). «Низкотемпературные магнитные свойства станнатов пирохлора». Журнал Физического общества Японии. Физическое общество Японии. 71 (6): 1576–1582. Дои:10.1143 / jpsj.71.1576. ISSN 0031-9015.
  9. ^ Lago, J .; Живкович, I .; Малкин, Б.З .; Родригес Фернандес, Дж .; Ghigna, P .; Dalmas de Réotier, P .; Yaouanc, A .; Рохо, Т. (15.06.2010). "CdEr2Se4: Новая эрбиевая система спинового льда в структуре шпинели ». Письма с физическими проверками. 104 (24): 247203. Bibcode:2010PhRvL.104x7203L. Дои:10.1103 / PhysRevLett.104.247203. PMID 20867332.
  10. ^ den Hertog, Byron C .; Gingras, Мишель Дж. П. (10 апреля 2000 г.). "Диполярные взаимодействия и происхождение спинового льда в пирохлорных магнитах Изинга". Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 84 (15): 3430–3433. arXiv:cond-mat / 0001369. Дои:10.1103 / Physrevlett.84.3430. ISSN 0031-9007. PMID 11019107. S2CID 45435198.
  11. ^ Исаков, С. В .; Moessner, R .; Сонди, С. Л. (14 ноября 2005 г.). «Почему Spin Ice подчиняется ледовым правилам». Письма с физическими проверками. 95 (21): 217201. arXiv:cond-mat / 0502137. Дои:10.1103 / Physrevlett.95.217201. ISSN 0031-9007. PMID 16384174. S2CID 30364648.
  12. ^ «Магнитные монополи впервые обнаружены в реальном магните». Science Daily. 2009-09-04. Получено 2009-09-04.
  13. ^ D.J.P. Моррис; Д.А. Теннант; С.А. Григера; Б. Клемке; К. Кастельново; Р. Месснер; К. Чтернасты; М. Мейснер; К.С. Правило; Ж.-У. Хоффманн; К. Кифер; С. Геришер; Д. Слобинский, Р.С. Перри (2009-09-03). "Струны Дирака и магнитные монополи в Spin Ice Dy2Ti2О7". Наука. 326 (5951): 411–4. arXiv:1011.1174. Bibcode:2009Наука ... 326..411М. Дои:10.1126 / science.1178868. PMID 19729617. S2CID 206522398.
  14. ^ Рау, Джеффри Дж .; Гинграс, Мишель Дж. П. (2015). «Величина квантовых эффектов в классических спиновых льдах». Физический обзор B. 92 (14): 144417. arXiv:1503.04808. Bibcode:2015PhRvB..92n4417R. Дои:10.1103 / PhysRevB.92.144417.
  15. ^ а б Gingras, M. J. P .; МакКларти, П. А. (01.01.2014). «Квантовый спиновый лед: поиск бесщелевых квантовых спиновых жидкостей в пирохлорных магнитах». Отчеты о достижениях физики. 77 (5): 056501. arXiv:1311.1817. Bibcode:2014RPPh ... 77e6501G. Дои:10.1088/0034-4885/77/5/056501. ISSN 0034-4885. PMID 24787264. S2CID 23594100.
  16. ^ Рау, Джеффри Дж .; Жинграс, Мишель Дж. П. (10 марта 2019 г.). «Разочарованные квантовые редкоземельные пирохлоры». Ежегодный обзор физики конденсированного состояния. 10 (1): 357–386. arXiv:1806.09638. Дои:10.1146 / annurev-conmatphys-022317-110520. ISSN 1947-5454. S2CID 85498113.
  17. ^ Балентс, Леон (10 марта 2010 г.). «Крутить жидкости в фрустрированных магнитах». Природа. 464 (7286): 199–208. Bibcode:2010Натура.464..199Б. Дои:10.1038 / природа08917. ISSN 0028-0836. PMID 20220838. S2CID 4408289.
  18. ^ Hermele, Майкл; Фишер, Мэтью П. А .; Баленц, Леон (12 февраля 2004 г.). «Фотоны пирохлора: спиновая жидкость U (1) в трехмерном фрустрированном магните с S = 1/2». Физический обзор B. 69 (6): 064404. arXiv:cond-mat / 0305401. Bibcode:2004PhRvB..69f4404H. Дои:10.1103 / PhysRevB.69.064404. S2CID 28840838.
  19. ^ Rehn, J .; Месснер, Р. (19 мая 2016 г.). «Электромагнетизм Максвелла как возникающее явление в конденсированных средах». Философские труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки. 374 (2075): 20160093. arXiv:1605.05874. Bibcode:2016RSPTA.37460093R. Дои:10.1098 / rsta.2016.0093. PMID 27458263. S2CID 206159482.