2013: Премия I степени за лучшую работу на конкурсе работ молодых ученых МГУ 2013 года присуждена О.С.Волковой за работу "Квантовые кооперативные явления в твердых телах"

Цикл научных работ "Квантовые кооперативные явления в твердых телах" старшего научного сотрудника кафедры физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета, к.ф.-м.н. Ольги Сергеевны Волковой, удостоенный 1-й премии на конкурсе работ молодых ученых МГУ 2013 года, охватывает широкий спектр физических явлений, реализующихся в спиновых жидкостях и низкоразмерных магнетиках в широком интервале температур и в сильных магнитных полях.

Среди наиболее ярких научных результатов представленного цикла можно отметить следующие.

Установление квантового основного состояния системы Ba₃Cu₃In₄O₁₂ с уникальной топологией магнитной подсистемы, составленной из “бумажных цепочек” меди S = 1/2, с общей архитектурой трехмерной решетки Шастри-Сазерленда. При высоких температурах магнитная восприимчивость системы подчиняется закону Кюри-Вейсса с большой положительной температурой Вейсса, указывающей на доминирование ферромагнитных обменных взаимодействий в системе. Однако, при низких температурах это соединение демонстрирует дальний трехмерный антиферромагнитный порядок. Причем, на кривой намагничивания, полученной в магнитоупорядоченной области присутствует нетривиальная последовательность двух спин-флоп и двух спин-флип переходов в небольших магнитных полях, что проявляется в виде дополнительных фазовых границ на магнитной фазовой диаграмме и в спектрах электронного парамагнитного резонанса.

Результаты экспериментальных исследований термодинамических свойств указывают на то, что квантовое основное состояние системы Ba₃Cu₃In₄O₁₂ может состоять из трех ортогональных антиферромагнитных структур на базе ионов Cu²⁺ (S=1/2), которые слабо связаны между собой. В этом предположении, основанном на анизотропных обменных взаимодействиях, квантовые флуктуации обеспечивают взаимодействие между тремя взаимно ортогональными магнитными подсистемами, обеспечивая зарождение порядка из беспорядка.

Установление базовых характеристик нитрозония нитрата меди (NO)[Cu(NO₃)₃] вблизи квантовой критической точки Нерсесяна – Цвелика. Топология обменных магнитных взаимодействий в (NO)[Cu(NO₃)₃], близка к реализации модели ”флага конфедераций” Нерсесяна–Цвелика. Кристаллическая структура этого соединения организована слабо – связанными слоями. В слое наиболее сильное взаимодействие J между медными катионами идет через нитратные группы, с помощью которых организованы цепочки со спином S = 1/2. Цепочки связаны между собой через нитратные NO₃ группы и группы нитрозония NO таким образом, что обменное взаимодействие по рангу J′ в два раза больше диагонального обменного взаимодействия J₂. Основное состояние такой модели принято обсуждать в моделях резонансной валентной связи (RVB) или кристалла валентных связей (VBC). 

В исследованиях теплоемкости и мюоновской спектроскопии до сверхнизких температур получены первые указания на формирование здесь магнитоупорядоченного состояния ниже 0.6 К. В исследованиях рамановской спектроскопии и неупругого рассеяния нейтронов получены указания на сильную одномерность обменных магнитных взаимодействий вдоль цепочек.

Обнаружение низкоразмерных антиферромагнетиков Li₂CuZrO₄, AgFeO₂, Cr₃(PO₄), Cu₂As₂O₇ с потенциалом мультиферроэлектрических свойств. В системе Li₂CuZrO₄ присутствуют изолированные цепочки из соединенных по ребру квадратов CuO₄. Из теоретического анализа следует, что соотношение обменных интегралов в цепочке -J₂/J₁ ~ 0.3 определяет его как наиболее близкое к квантовой критической точке 0.25, разделяющей геликоидальные антиферромагнетики и ферромагнетики.

С помощью исследований ядерного магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса и константы диэлектрической проницаемости Li₂CuZrO₄ установлено, что катионы лития Li+ занимают две позиции: неподвижную позицию Li₁ и наполовину заполненную подвижную позицию Li₂. Ионы Li₂ формируют фрустрированную подрешетку туннелирующего псевдоспина – 1/2 квантовых электрических диполей.

Работа выполнялась с использованием научного оборудования, закупленного по программе развития МГУ.