Мезоскопические антиферромагнетики: статика, динамика, квантовое туннелирование

Abstract

С единых позиций обсуждаются статические и динамические, квантовые и классические свойства антиферромагнетиков (АФМ). Основное внимание уделяется мезоскопическим магнетикам, т.е. материалам с характерными масштабами неоднородностей порядка атомных размеров. Создание таких материалов, их исследование и применение во многом определяет лицо физики в наше время. К ним относятся малые магнитные частицы и их массивы, магнитные сверхрешетки и кластеры, высокоспиновые молекулы. Обсуждаются и традиционные проблемы физики антиферромагнетизма (симметрийный анализ АФМ, переориентационные переходы, уравнения для спиновой динамики), однако они представлены в той мере, в которой это полезно для последовательного рассмотрения квантовых и классических свойств мезоскопических АФМ. Для описания спиновой динамики АФМ построен магнитный лагранжиан, вид которого согласован с квантовомеханическим гамильтонианом. Учтены эффекты понижения динамической симметрии АФМ, как за счет традиционных причин, например внешнего магнитного поля, так и за счет частичной раскомпенсации спинов подрешеток. Последний эффект особо важен для мезоскопических частиц АФМ типа ферритина. Подробно обсуждается влияние дефектов, а также поверхности на переориентационные переходы в АФМ. Эти эффекты принципиально важны для описания малых частиц АФМ и обнаружены для магнитных сверхрешеток с антиферромагнитным взаимодействием элементов сверхрешеток. Особая роль уделяется описанию макроскопических квантовых эффектов в мезоскопических АФМ. На основе полученного спинового лагранжиана описаны новые туннельные эффекты, например осциллирующая зависимость вероятности туннелирования от магнитного поля. Исследованы квантовые эффекты в магнитных системах с неоднородным основным состоянием. Эти эффекты могут быть описаны как изменение вследствие процессов туннелирования топологических зарядов различной природы, характеризующих эти состояния.

3 единих позицій обговорюються статичні та динамічні, квантові та класичні властивості антиферомагнетиків (АФМ). Основна увага приділяється мезоскопічним магнетикам, тобто матеріалам з характерними масштабами неоднорідностей порядку атомних розмірів. Створення таких матеріалів, їхнє дослідження i застосування багато в чому визначає обличчя фізики в наш час. До них відносяться малі магнітні частки та їхні масиви, магнітні надгратки та кластери, високоспінові молекули. Обговорюються й традиційні проблеми фізики антиферомагнетизму (симeтpійний аналіз АФМ, переорієнтаційні переходи, рівняння для cniнової динам іки), однак вони представлені в тій міpi, у якій це корисно для послідовного розгляду квантових i класичних властивостей мезоскопічних АФМ. Для опису спінової динаміки АФМ побудовано магнітний лагранжиан, вигляд якого погоджений iз квантовомеханічним гамільтоніаном. Враховано ефекти зниження динамічної симетpiї АФМ, як за рахунок традиційних причин, наприклад зовнішнього магнітного поля, так і за рахунок часткової розкомпенсації спінів підграток. Останній ефект особливо важливий для мезоскопічних часток АФМ типу феритина. Докладно обговорюється вплив дефектів, а також поверхні на переорієнтаційні переходи в АФМ. Ці ефекти принципово важливі для опису малих часток АФМ i виявлено для магнітних надграток з антиферомагнітною взаємодією елементів надграток. Особлива роль приділяється описові макроскопічних квантових ефектів у мезоскопічних АФМ. На ocновi отриманого спінового лагранжиана описано нові тунельні ефекти, наприклад осцилююча залежність імовірності тунелювання від магнітного поля. Досліджено квантові ефекти в магнітних системах з неоднорідним основним станом. Ці ефекти можуть бути описані як зміна внаслідок процесів тунелювання топологічних зарядів piзної природи, що характеризують ці стани.

The static and dynamic, classic and quantum properties of antiferromagnets (AFM) are discussed basing on a unified approach. Special attention is concentrated on mesoscopic magnets, i.e., materials with characteristic scales of inhomogeneities of the order of atomic scales. Production of such materials, their study and application in many aspects specify contemporary physics. Among these materials are maghetic dots and their arrays, magnetic superlattices and clasters, high-spin molecules. The classical problems of antiferromagnet physics are also discussed (symmetrical analysis of AFM, orientational transitions, equations for spin dynamics), but they are introduced as far as they are useful for consideration of quantum and classical properties of mesoscopic AFM. To describe the spin dynamics of AFM, a spin Lagrangian is constructed, the form of which is consistent with the quantum-mechanical Hamiltonian. The effects of AFM dynamical symmetry reduction are taken into account, due to both classical reasons, for example, an external magnetic field, and partial decompensation of lattice spins. The latter effect is most important for mesoscopic AFM samples like ferritine particles. The influences of defects and surface effects on reorientational transitions in AFM are discussed in details. Such effects are essentially important for description of small particles of AFM and observed for magnetic superlattices with antiferromagnetic interaction between superlattice elements. Particular attention is paid to description of macroscopical quantum effects in mesoscopic AFM. On the basis of the spin Lagrangian obtained, new tunnel effects are described, for example, an oscillating dependence of tunneling probability on magnetic field. The quantum effects in magnetic systems with a nonuniform ground state are studied. These effects can be described as the tunneling process-induced changes of topological charges of various origin, characterising this state.