Спин-волновое описание двумерного парамагнетика в магнитном поле

Авторы

  • Кирилл Борисович Циберкин (Kirill Tsiberkin) Пермский государственный национальный исследовательский университет http://orcid.org/0000-0002-8725-7743
  • Татьяна Сергеевна Белозерова (Tatyana Belozerova) Пермский государственный национальный исследовательский университет
  • Виктор Карлович Хеннер (Victor Henner) Пермский государственный национальный исследовательский университет; University of Louisville

DOI:

https://doi.org/10.17072/1994-3598-2016-2-35-48

Аннотация

Исследуется возможность возникновения коллективных спиновых возбуждений в двумерном парамагнитном кристалле с диполь-дипольным взаимодействием частиц при отсутствии обменных эффектов, находящемся в однородном постоянном магнитном поле. В состоянии насыщения магнитные моменты ориентированы вдоль поля. Свойства парамагнетика в пределе низких температур описаны на основе представления Холстейна–Примакова в терминах спиновых волн. Проанализированы дисперсионные соотношения для спиновых волн в парамагнитной системе на квадратной и гексагональной решётках. Показано, что длина спиновых волн, которые могут возникать в системе, и ширина их энергетического спектра определяются ориентацией приложенного поля. В ортогональном поле реализуются длинноволновые возбуждения, тогда как в параллельном магнитном поле энергетически выгодны возбуждения с конечными длинами волн порядка постоянной решётки. Проведено прямое численное моделирование динамики группы взаимодействующих магнитных моментов во внешнем поле различной ориентации. Получены временные зависимости и Фурье-спектры поперечной компоненты полного спина системы и дипольной части энергии. Результаты моделирования согласуются с расчётами в рамках спин-волнового подхода.Поступила в редакцию 22.08.2016; принята к опубликованию 31.08.2016

Биография автора

Кирилл Борисович Циберкин (Kirill Tsiberkin), Пермский государственный национальный исследовательский университет

кафедра теоретической физики, старший преподаватель

Библиографические ссылки

Abragam A. The principles of nuclear magnetism. Oxford, UK: Clarendon Press, 1961. 599 p.

Goldman M. Formal theory of spin–lattice relaxation. Journal of Magnetic Resonance, 2001, vol. 149, pp. 160–187.

Henner V., Desvaux H., Belozerova T., Marion D., Kharebov P., Klots A. Collective effects due to dipolar fields as the origin of the extremely random behavior in hyperpolarized NMR maser: A theoretical and numerical study. Journal of Chemical Physics, 2013, vol. 139, 144111.

Vonsovskii S. V. Magnetism. New York: Wiley, 1974, 2 vol., 1256 p.

Gopal E. S. R. Specific heat at low temperatures. New-York: Springer, 1966. 240 p.

Nallamuthu S., Rashid T. P., Krishnakumar V., Besnard C., Hagemann H., Reiffers M., Nagalakshmi R. Anisotropic magnetic, transport and thermodynamic properties of novel tetragonal Ce2RhGa12 compound. Journal of Alloys and Compounds, 2014, vol. 604, pp. 379–383.

Liang T., Koohpayeh S. M., Krizan J. W., McQueen T. M., Cava R. J., Ong N. P. Heat capacity peak at the quantum critical point of the trans-verse Ising magnet CoNb2O6. Nature Communications, 2015, vol. 6, 7611.

Abragam A., Goldman M. Nuclear magnetism: order and disorder. Oxford: Clarendon Press, 1982, 626 p.

White R. M. Quantum theory of magnetism: Magnetic properties of materials (3rd ed.), Berlin: Springer–Verlag, 2007, 362 p.

Slichter P. D. Principles of Magnetic Resonance. Springer Series in Solid-State Sciences, Book 1 (3rd ed). New York: Springer. 1990. 658 p.

Dubovik V. M., Lunegov I. V., Martsenyuk M. A. Theory of toroid responce observation in nuclear magnetic resonance. Physics of Elementary Particles and Atomic Nuclei, 1995, vol. 26, no. 1, pp. 72–145 (In Russian).

Sullivan N. S., Pound R. B. Splitting of NMR spectrum of solid hydrogen. Physics Letters A, 1972, vol. 39 (1), pp. 23–24.

Piette L. H., Rempel R. C., Weaver H. E., Flournoy J. M. EPR studies of electron irradiated ice and solid hydrogen. Journal of Chemical Physics, 1959, vol. 30, 1623.

Feldman V. I., Sukhov F. F., Orlov A. Y. Hydrogen atoms in solid xenon: trapping site structure, distribution, and stability as revealed by EPR studies in monoisotopic and isotopically enriched xen-on matrices. Journal of Chemical Physics, 2008, vol. 128 (21), 214511.

Kumanagi J. Hydrogen molecular ions in solid parahydrogen: EPR studies at cryogenic temperatures. In: Lund A., Shiotani M. (Eds.) Applications of EPR in radiation research. Cham, Switzerland: Springer International Publishing, 2014, pp. 117–147.

Lide D. R. (Ed.). CRC handbook of chemistry and physics (90th ed.). Boca Raton: CRC Press, 2009, 2804 p.

Aronov A. G. Spin waves in a medium with nonequilibrium spin orientation. Soviet Physics JETP, 1977, vol. 46, no. 2, pp. 301–304.

Žutić I., Fabian Ja., Das Sarma S. Spintronics: Fundamentals and applications. Reviews of Modern Physics, 2004, vol. 76 (2), pp. 323–410.

Zyuzin A. A., Zyuzin A. Yu. Non-equilibrium spin waves in paramagnetic metals. Europhysics Letters, 2010, vol. 90, 67007.

Stone N. J. Table of nuclear magnetic dipole and electric quadrupole moments. Atomic Data and Nuclear Data Tables, 2005, vol. 90, pp. 75–176.

Bleaney B. Cryomagnetism and magnetic resonance in Oxford physics. In: Eaton G. R., Eaton S. S., Salikhov K. M. (Eds.) Foundations of modern EPR. Singapore: World Scientific Pub Co Inc., 1998. 818 p.

Henner V. K., Henner E. K. About the velocity of establishment of quasi-equilibrium in magnetically diluted spin-systems. Physics Letter A, 1988, vol. 127, no. 6-7, pp. 322–324.

Holstein T., Primakoff H. Field dependence of the intrinsic domain magnetization of a ferromagnet. Physical Review, 1940, vol. 58, pp. 1098–1113.

Fel'dman E. B., Khitrin A. K. Spin-wave theory of NMR in solids at low temperatures. Journal of Experimental and Theoretical Physics, 1990, vol. 71, no. 3, pp. 538–543.

Fel'dman E. B., Khitrin A. K. NMR at high spin polarization: a spin-wave approach. Physics Letters A, 1991, vol. 153, no. 1, pp. 60–62.

Provotorov B. N. Magnetic Resonance Saturation in Crystals. Soviet Physics JETP, 1961, vol. 14 (5), pp. 1126–1131.

Tsiberkin K. Collective spin excitations in 2D paramagnet with dipole interaction. European Physical Journal B, 2016, vol. 89 (2), 54.

Fel’dman E. B. Private communication. 2016.

Goldstein L. Thermal properties of paramagnetic solid Helium-3. Journal of Low Temperature Physics, 1983, vol. 50 (3), pp. 267–299.

Andreeva T. L., Rubin P. L. Collective modes in cold paramagnetic gases. Quantum Electronics, 2014, vol. 44 (2), pp. 182–183.

Janssen L. M. C., van der Avoird A., Groenenboomb G. C. On the role of the magnetic dipolar interaction in cold and ultracold collisions: numerical and analytical results for NH(3Σ−)+NH(3Σ−). European Physical Journal D, 2011, vol. 65, pp. 177–187.

Landau L. D., Lifshitz E. M. Course of Theoretical Physics, vol. 5: Statistical Physics, p. 1 (3rd ed.), Oxford: Butterworth-Heinemann, 1980, 544 p.

Dyson F. J. General theory of spin-wave interactions. Physical Review, 1956, vol. 102, no. 5, pp. 1217–1230.

Dyson F. J. Thermodynamic behavior of an ideal ferromagnet. Physical Review, 1956, vol. 102, no. 5, pp. 1230–1244.

Akhiezer A. I., Barʹyakhtar V. G., Peletminskii S. V. Spin waves. Amsterdam: North-Holland, 1968, 369 p.

Prabhakar A., Stancil D. D. Spin waves: Theory and applications, New York: Springer, 2009, 348 p.

Wallace P. R. The band theory of graphite. Physical Review, 1947, vol. 71 (9), pp. 622–634.

Belozerova T. S., Henner V. K. MagnetoDynamics Certificate of state registration of the computer program N. 2014617685. 2014.

Henner V., Klots A., Belozerova T. The quantum mechanics correspondence principle for spin systems and its application for some magnetic resonance problems. eprint arXiv:1507.03043.

Загрузки

Опубликован

2017-03-04

Выпуск

Раздел

Статьи (Regular articles)