Спин-флуктуационные переходы

Спин-флуктуационные переходы относятся к новым явлениям в области магнетизма и описывает изменение характеристик спиновых флуктуаций под воздействием управляющих параметров (например, температуры или состава материала), не связанное образованием фаз с магнитным порядком ферромагнитного или антиферромагнитного типа или с более сложным типом магнитного упорядочения, в частности геликоидальным. Термин «спин флуктуационные переходы», СФТ был введен Демишевым [1] для обозначения данной группы специфических фазовых превращений в магнетиках.

Классическим СФТ является переход в фазу спинового нематика [2]. Различие между обычным магнитным фазовым переходом и спин-флуктуационным переходом можно проиллюстрировать с помощью простой классической аналогии. Рассмотрим двумерный магнетик, в котором спины S (магнитные моменты) схематически представлены двумерным набором магнитных стрелок (Рис. 1). В парамагнитной фазе обе средние проекции спина на оси x и y <S_x> и <S_y> удовлетворяют условиям <S_x>=<S_y>=0 и, следовательно, средний спин на узле равен нулю. Одновременно, в парамагнитной фазе спиновые флуктуации будут изотропны: <S_x²>=<S_y²>≠0. В нашем наглядном примере (Рис. 1) это означает, что магнитные стрелки не упорядочены и их положения одинаково флуктуируют по всем направлениям. При обычном магнитном переходе некоторая проекция спина становится отличной от нуля (<S_y>≠0 и <S_x>=0 на Рис. 1) и образуется магнитная структура, например ферромагнитного типа (Рис. 1). В этой фазе спиновые флуктуации могут быть как изотропными, так и анизотропными, но в большинстве случаев тепловые спиновые флуктуации вымерзнут при нулевой температуре, и упорядоченное основное состояние будет возмущаться исключительно нулевыми квантовыми колебаниями. В отличие от рассмотренного случая, для СФП условие <S_x>=<S_y>=0 выполняется в любой СФТ фазе, однако, условие <S_x²>=<S_y²> нарушается в точке спин-флуктуационного перехода и в спин-флуктуационной фазе <S_x²>≠<S_y²> (в нашем примере (Рис. 1) в результате СФП магнитные стрелки начинают «дрожать» анизотропным образом).

Рисунок 1. Магнитные переходы и спин-флуктуационные переходы

Рассмотренный сценарий соответствует известному переходу в фазу спинового нематика [2], однако в общем случае СФП можно определить как любой переход, при котором изменяется характер спиновых флуктуаций [1]. Существование СФП нескольких типов было обнаружено у сильно коррелированных металлов CeB₆ и Mn_1‑xFe_xSi. Помимо упоминавшегося выше СФП в фазу спинового нематика [1-3], обнаружены переход, связанный с изменением симметрии спиновых флуктуаций (аналог ориентационного перехода в магнетиках) [1,3], а также СФП, отвечающие «замерзанию» квантовых и классических флуктуаций [4,5]. Установлено, что особые спиновые флуктуации связаны с квантовыми критическими точками (в том числе скрытыми), что позволяет идентифицировать их присутствие на магнитной фазовой диаграмме [5,6]. В недавней работе [7] спин-флуктуационный переход был обнаружен в модели Изинга на случайных центрах. На примере системы Mn_1‑xFe_xSi обсуждается возможность возникновения СФП внутри магнитоупорядоченной фазы [4,8]. К настоящему моменту СФП сравнительно мало исследованы с теоретической точки зрения. Отмечается, что, по крайней мере, для описания некоторых типов СФП теория фазовых переходов второго рода Ландау оказывается неприменимой [3,7].

[1] S.V. Demishev, Applied Magnetic Resonance, 51, 473 (2020).

[2] K. Penc, A.M. Läuchli, in Introduction to Frustrated Magnetism. Springer Series in Solid-State Sciences, vol. 164, ed. by C. Lacroix, P. Mendels, F. Mila (Springer, Berlin, 2011), p. 331

[3] S.V. Demishev, V.N. Krasnorussky, A.V. Bogach, V.V. Voronov, N.Yu. Shitsevalova, V.B. Filipov, V.V. Glushkov, N.E. Sluchanko, Sci. Rep. 7, 17430 (2017)

[4] S.V. Demishev, I.I. Lobanova, V.V. Glushkov, T.V. Ischenko, N.E. Sluchanko, V.A. Dyadkin, N.M. Potapova, S.V. Grigoriev, JETP Lett. 98, 829 (2013)

[5] S.V. Demishev, V.V. Glushkov, S.V. Grigoriev, M.I. Gil’manov, I.I. Lobanova, A.N. Samarin, A.V. Semeno, N.E. Sluchanko, Phys. Usp. 59, 559 (2016)

[6] S.V. Demishev, A.N. Samarin, V.V. Glushkov, M.I. Gilmanov, I.I. Lobanova, N.A. Samarin, A.V.Semeno, N.E. Sluchanko, N.M. Chubova, V.A. Dyadkin, S.V. Grigoriev, JETP Lett. 100, 28 (2014)

[7] N.A. Bogoslovskiy, P.V. Petrov, N.S. Averkiev, Pis’ma v ZhETF, 114, 383 (2021)

[8] S.V. Demishev, V.V. Glushkov, I.I. Lobanova, M.A. Anisimov, V.Yu. Ivanov, T.V. Ishchenko, M.S. Karasev, N.A. Samarin, N.E. Sluchanko, V.M. Zimin, and A.V. Semeno, Physical Review B, 85, 045131 (2012).