Спектр спиновых волн в антиферромагнетиках с неколлинеарными магнитными подрешетками
Спектр спиновых волн в антиферромагнетиках с неколлинеарными магнитными подрешетками
Кызыргулов И.Р.
Как известно, кристалл
приближенно имеет коллинеарную
антиферромагнитную структуру [1, 2]. Ряд
экспериментальных работ указывает на
наличие слабого ферромагнитного момента
в плоскостях
,
направленного перпендикулярно плоскости
и имеющего противоположные направления
в соседних плоскостях [3, 4]. Ферромагнитный
момент возникает при выходе магнитных
моментов ионов
из базисной (001) плоскости при повороте
их на небольшой угол вследствие поворота
октаэдров
в ортофазе. Другими словами, магнитные
моменты подворачиваются в плоскости
(010) на малый угол [5]. Но поскольку в
соседних плоскостях октаэдры развернуты
в противофазе, это приводит к противоположной
направленности ферромагнитных моментов
в соседних плоскостях, что означает,
антиферромагнитную модуляцию вдоль
оси [001]. Из исследований инфракрасных
спектров, неупругого рассеяния нейтронов
и двухмагнонного рассеяния света
определена величина угла скоса, которая
оказалось равной
[4, 6].
Исследуем влияние неколлинеарности
магнитных подрешеток на спектры спиновых
волн в кристалле
как поправку к спектру, найденному в
работе [7].
Будем исходить из гамильтониана, в котором учитывается энергия магнитной системы:
,
(1)
,
где
-
тензор однородного обменного
взаимодействия,
- тензор анизотропии,
-
тензор неоднородного обменного
взаимодействия,
- намагниченности подрешеток,
,
.
Тензор
выберем в виде
,
где I - постоянная внутриплоскостного
взаимодействия (в CuO2 - плоскости),
,
- постоянные межплоскостного взаимодействия.
Далее ввиду эквивалентности подкластеров можно ввести следующую систему обозначений:
,
,
,
.
Аналогичных обозначений будем
придерживаться и для компонент тензоров
c учетом соотношения из орторомбичности
кристаллической структуры
,
,
.
Эксперименты по неупругому нейтронному
рассеянию дают значение для постоянной
внутриплоскостного обменного
взаимодействия
[8] и верхнюю оценку для постоянных
межплоскостного обменного взаимодействия
.
Приведенные экспериментальные данные
позволяют считать в нашем приближении
.
Запишем гамильтониан (1) в представлении
приближенного вторичного квантования.
Намагниченности подрешеток
можно выразить через операторы
Гольштейна-Примакова:
,
(2)
(2.1)
где
- равновесная намагниченность
- той подрешетки,
, g - фактор Ланде,
- магнетон Бора.
Подставляя (2) в (1) и переходя к фурье-представлению операторов
,
получим:
,
(3)
,
(3.1)
.
(3.2)
Перейдем к исследованию конкретного случая. Введем сферические координаты базисных векторов (2.1). Учитывая малую величину угла откоса, напишем:
,
,
,
,
,
,
,
,
.
(4)
Тогда в соответствии с системой
инвариантов группы
коэффициенты
(3.1-3.2) будут иметь вид:
,
(5.1)
(5.2)
Отсюда, используя выбор ортов (4) и учитывая направления равновесных намагниченностей, получим:
,
,
,
(6)
где
.
Выпишем компоненты
в явном виде ввиду их важности для
дальнейшего.
,
,
,
,
(7)
,
,
,
.
(8)
Для упрощения диагонализации гамильтониана
(3) введем вместо операторов
операторы
согласно следующим формулам:
,
,
,
.
(9)
Тогда с учетом (6) гамильтониан (3) в новых
операторах
имеет вид:
,
(10)
где
,
,
,
(11)
и
аналогично выражаются через компоненты
матрицы В.
Разделим
и
на слагаемые, не содержащие величину
,
и слагаемые, содержащие
:
,
.
В гамильтониане (10) с помощью канонического u-v-преобразования Боголюбова
,
(12)
,
,
перейдем к магнонным операторам
.
Диагонализованный гамильтониан имеет
стандартный вид:
,
(13)
где
- энергия спиновых волн коллинеарного
антиферромагнетика,
-
поправка к энергии, связанная с
неколлинеарностью подрешеток.
,
,
,
.
Если
,
,
то поправки к спектрам спиновых волн,
определяемые неколлинеарностью магнитных
подрешеток, будут иметь порядок:
,
,
,
.
Линейная зависимость поправки
от обменного параметра I и квадратичная
зависимость от угла откоса
может привести в некоторых случаях к
немалым изменениям спектра спиновой
волны.
Выражаю благодарность научному руководителю М.Х.Харрасову за предоставленную задачу и постоянную помощь.
Список литературы
Vaknin D., Sinha S.K., Moncton D.E. et al. // Phys. Rev. Lett. 1987. V. 58. P. 2802-2805.
Shirare C., Endoh Y., Birgineau R.J. et al. // Phys. Rev. Lett. 1987. V. 59. P. 1613-1616.
Kastner M.A., Birgeneau R.J., Thurston T.R. et al. // Phys. Rev. B. 1988. V. 38. P. 6636-6640.
Thio T., Thurston T.R., Preyer N.W. et al. // Phys. Rev. B. 1988. V. 38. P. 905-908.
Endoh Y., Yamada K., Birgeneau R.J. et al. // Phys. Rev. B. 1983. V. 37. P. 7443-7453.
Боровик-Романов А.С., Буздин А.И., Крейнес Н.М., Кротов С.С. // Письма в ЖЭТФ. 1988. Т. 47. С. 600-603.
Абдуллин А.У., Савченко М.А., Харрасов М.Х. // ДАН. 1995. Т. 342. ¹ 6. С. 753-756.
Hayden S.M., Aeppli G., Osborn R. et al. // Phys. Rev. Lett. 1991. V. 67. P. 3622-3625.
Для подготовки данной применялись материалы сети Интернет из общего доступа