Спин-флуктуационные переходы

Спин-флуктуационные переходы (СФТ) — фазовые переходы в магнитных материалах при участии 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 введён С.В.Демишевым в для обозначения данной группы специфических фазовых превращений в магнетиках.

Магнитные переходы и спин-флуктуационные переходы (из работы [1]).

Классическим СФТ является переход в фазу спинового нематика. 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. В парамагнитной фазе обе средние проекции спина на оси x и y $\langle S_{x}\rangle$ и $\langle S_{y}\rangle$ удовлетворяют условиям $\langle S_{x}\rangle =\langle S_{y}\rangle =0$ и, следовательно, средний спин на узле равен нулю. Одновременно, в парамагнитной фазе спиновые флуктуации будут изотропны: $\langle S_{x}^{2}\rangle =\langle S_{y}^{2}\rangle \neq 0$. 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 ($\langle S_{y}\rangle \neq 0$ и $\langle S_{x}\rangle =0$) и образуется магнитная структура, например ферромагнитного типа. 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 $\langle S_{x}\rangle =\langle S_{y}\rangle =0$ выполняется в любой СФТ фазе, однако, условие $\langle S_{x}^{2}\rangle =\langle S_{y}^{2}\rangle$ нарушается в точке спин-флуктуационного перехода и в спин-флуктуационной фазе $\langle S_{x}^{2}\rangle \neq \langle S_{y}^{2}\rangle$ (в примере на рисунке в результате СФП магнитные стрелки начинают «дрожать» анизотропным образом).

Рассмотренный сценарий соответствует известному переходу в фазу спинового нематика, однако СФП являются более широким понятием в физике магнитных явлений. В общем случае СФП можно определить как любой переход, при котором изменяется характер спиновых флуктуаций. Существование СФП нескольких типов было обнаружено у сильно коррелированных металлов ${\ce {CeB_6}}$ и ${\ce {Mn_{1-X}Fe_{X}Si}}$. Помимо упоминавшегося выше СФП в фазу спинового нематика, обнаружены переход, связанный с изменением симметрии спиновых флуктуаций (аналог ориентационного перехода в магнетиках), а также СФП, отвечающие «замерзанию» квантовых и классических флуктуаций. Установлено, что особые спиновые флуктуации связаны с квантовыми критическими точками (в том числе скрытыми), что позволяет идентифицировать их присутствие на магнитной фазовой диаграмме. В недавней работе спин-флуктуационный переход был обнаружен в модели Изинга на случайных центрах. На примере системы ${\ce {Mn_{1-X}Fe_{X}Si}}$ обсуждается возможность возникновения СФП внутри магнитоупорядоченной фазы. 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.

Литература

• S. V. Demishev. Electron Spin Resonance in Strongly Correlated Metals (англ.) // Applied Magnetic Resonance. — 2020. — Vol. 51, iss. 6. — P. 473–522. — ISSN 1613-7507 0937-9347, 1613-7507. — doi:10.1007/s00723-020-01203-3.

• K. Penc, A. M. Läuchli. Introduction to Frustrated Magnetism (англ.) // Springer Series in Solid-State Sciences / Claudine Lacroix, Philippe Mendels, Frédéric Mila. — 2011. — Т. 164. — С. 331. — ISSN 0171-1873. — doi:10.1007/978-3-642-10589-0.

• S. V. Demishev, V. N. Krasnorussky, A. V. Bogach, V. V. Voronov, N. Yu. Shitsevalova. Electron nematic effect induced by magnetic field in antiferroquadrupole phase of CeB 6 (англ.) // Scientific Reports. — 2017. — Vol. 7, iss. 1. — P. 17430. — ISSN 2045-2322. — doi:10.1038/s41598-017-17608-3.

• S. V. Demishev, I. I. Lobanova, V. V. Glushkov, T. V. Ischenko, N. E. Sluchanko. Quantum bicriticality in Mn1 − x Fe x Si solid solutions: Exchange and percolation effects (англ.) // JETP Letters. — 2014. — Vol. 98, iss. 12. — P. 829–833. — ISSN 1090-6487 0021-3640, 1090-6487. — doi:10.1134/S0021364013250085.

• S V Demishev, V V Glushkov, S V Grigoriev, M I Gilmanov, I I Lobanova. Quantum phase transitions in spiral magnets without an inversion center (англ.) // Physics-Uspekhi. — 2016. — Vol. 59, iss. 6. — P. 559–563. — ISSN 1468-4780 1063-7869, 1468-4780. — doi:10.3367/ufne.2016.02.037767.

• S. V. Demishev, A. N. Samarin, V. V. Glushkov, M. I. Gilmanov, I. I. Lobanova. Anomalous spin relaxation and quantum criticality in Mn1 − xFexSi solid solutions (англ.) // JETP Letters. — 2014. — Vol. 100, iss. 1. — P. 28–31. — ISSN 1090-6487. — doi:10.1134/S0021364014130025.

• Н. А. Богословский, П. В. Петров, Н. С. Аверкиев. Спин-флуктуационный переход в неупорядоченной модели Изинга (рус.) // Письма в ЖЭТФ. — 2021. — Т. 114, вып. 6. — С. 383–390.

• S. V. Demishev, V. V. Glushkov, I. I. Lobanova, M. A. Anisimov, V. Yu. Ivanov. Magnetic phase diagram of MnSi in the high-field region (англ.) // Physical Review B. — 2012. — Vol. 85, iss. 4. — P. 045131. — ISSN 1550-235X 1098-0121, 1550-235X. — doi:10.1103/PhysRevB.85.045131.