Солитоны в низкоразмерных антиферромагнетиках (Обзор)

Abstract

С единых позиций рассмотрена структура, динамика и термодинамика магнитных солитонов в низкоразмерных антиферромагнетиках (АФМ). Основное внимание уделено тем задачам, для которых в настоящее время имеется экспериментальное подтверждение теории. Анализ проводится на основе простых феноменологических уравнений, описывающих динамику АФМ в терминах единичного вектора антиферромагнетизма, которые в простейшей модели АФМ имеют вид лоренц-инвариантной σ-модели (избранная скорость — фазовая скорость магнонов). Понижение симметрии АФМ при наличии внешнего магнитного поля или при учете взаимодействия Дзялошинского разрушает лоренц-инвариантность. Обсуждается перестройка структуры одномерных солитонов типа кинков при конечной скорости и ее влияние на солитонную термодинамику квазиодномерных магнетиков. Проведено квазиклассическое квантование солитонных решений. Показано, что динамика внутренних степеней свободы кинка в одномерном АФМ имеет квантовую природу, что существенно проявляется при рассмотрении двухпараметрических солитонов типа бионов в легкоосных АФМ. Рассмотрены двумерные топологические солитоны типа локализованных и нелокализованных магнитных вихрей и их вклад в термодинамику двумерных АФМ. Изложено современное состояние проблемы экспериментального обнаружения магнитных солитонов в квазидвумерных АФМ; рассмотрены различные возможные направления дальнейшего поиска.

З єдиних позицій розглянуто структуру, динаміку та термодинаміку магнітних солітонів в низькови-мірних антиферомагнетиках (АФМ). Основну увагу приділено тим задачам, для яких на даний момент існує експериментальне підтвердження теорії. Аналіз проводиться на основі простих феноменологічних рівнянь, що описують динаміку АФМ в термінах одиничного вектора антиферомагнетизму. В найпростішому випадку вони зводяться до лоренц-інваріантної σ-моделі (вибрана швидкість — фазова швидкість магнонів). Зниження симетрії АФМ при наявності зовнішнього магнітного поля або врахуванні взаємодії Дзялошинського порушує лоренц-інваріантність. Обговорюється перебудова структури одновимірних солітонів типу кінків при кінцевій швидкості та її вплив на солітонну термодинаміку квазіодновимірних магнетиків. Проведено квазі-класичне квантування солітонних розв’язків. Показано, що динаміка внутрішніх ступіней свободи кінка в одновимірному АФМ має квантову природу, що істотньо проявлюється при розгляді двопараметричних солітонів типу біонів в майже легковісних АФМ. Розглянуто двовимірні топологічні солітони типу локалізованих та нелокалізованих магнітних вихорів та їх внесок в термодинаміку двовимірних АФМ. Викладено сучасний стан проблеми експериментального виявлення магнітних солітонів в квазідвовимірних АФМ; розглянуто можливі напрями подальших досліджень.

The structure, dynamics, and thermodynamics of magnetic solitons in low-dimensional antiferromagnels (AFM) are considered from the common viewpoint. The primary attention is given to the models for which experimental data are available. The analysis is based on simple phenomenological equations describing the dynamics of AFM in terms of the unit vector of antiferromagnetism, in the simplest case the equations reducing to the form of a Lorentz-invariant σ-model (the chosen velocity is the phase velocity of spin waves). Lowering the symmetry of AFM, e.g., in presence of an external magnetic field or when taking into account the Dzyaloshinskii interaction, violates the Lorentz-in-variance. The finite-velocity transformation of the kink structure and its influence on the soliton thermodynamics of one-dimensional AFM are discussed. Semiclassical quantization of soliton solutions is carried out. It is demonstrated that the dynamics of internal kink degrees of freedom in a one-dimensional AFM is of a quantum nature, which is important when considering two-parametric solitons (bions) in almost easy-axis AFM. Two-dimensional topological solitons of the type of localized and non-localized magnetic vortices and their contribution to the thermodynamics of two-dimen-siotiai AFM are considered. The current state of the problem of experimental observation of magnetic solitons in quasi-two-dimensional AFM is reported; possible directions of future research are outlined.