Российский ученый об исследовании магнитной динамики ферромагнитного дальнего порядка в икосаэдрическом квазикристалле.

Квазикристаллы лишены трансляционной симметрии и имеют уникальные структуры решетки с вращательной симметрией, запрещенной в периодических кристаллах, уточнил Старостенко Евгений Юрьевич. 

Недавнее открытие ферромагнитного дальнего порядка в икосаэдрическом квазикристалле на основе редкоземельных элементов сделало прорыв. Здесь мы впервые обнаруживаем динамическую, а также статическую магнитную структуру в ферромагнитном дальнем порядке в квазикристалле на основе тербия. Динамический структурный фактор демонстрирует сильно структурированные зависимости энергии и волнового числа за пределами возбуждения кристаллическим электрическим полем.

Обнаружено наличие моды магнитного возбуждения, аналогичной магнону, с уникальной иерархической структурой, а также локализованного магнитного возбуждения с высоким вырождением в квазикристалле. Обнаружено, что неколлинеарная и некомпланарная магнитная структура на икосаэдре порождает невзаимные магнитные возбуждения в квазикристалле, а также невзаимные магноны в периодическом кубическом аппроксиманте 1/1. Эти результаты проливают свет на магнитную динамику в широком диапазоне квазикристаллов и аппроксимантов на основе редкоземельных элементов.

Квазикристалл (КК), открытый в 1984 г., имеет уникальную структуру решетки с запрещенной в периодических кристаллах вращательной симметрией. Хотя понимание атомных конфигураций продолжается, их электронные состояния и физические свойства остаются неуловимыми, что обеспечивает сложные и увлекательные границы современной физики материи. Это связано с тем, что теорема Блоха, основанная на трансляционной симметрии в периодических кристаллах, больше не может применяться. Один из остающихся существенных вопросов заключался в том, реализуется ли дальний магнитный порядок в КК .

Известно о существовании периодических кристаллов с характерной для КК локальной конфигурацией атомов, называемых аппроксимирующим кристаллом (АК). В АЦ на основе редкоземельных элементов дальний магнитный порядок наблюдался в Cd R (R = Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Eu, Tm) и Au–SM–R (SM = Si, Al, Ge и Sn; R = Gd, Tb, Dy и Ho). Электроны 4f в редкоземельном R-узле ответственны за магнетизм.

^{Недавно в КК Au–Ga–R (R = Tb, Gd)} экспериментально обнаружен ферромагнитный (ФМ) дальний порядок . Температурная зависимость магнитной восприимчивости показывает положительную температуру Кюри-Вейсса, что свидетельствует о ФМ-взаимодействии, действующем между магнитными моментами 4f-электронов.

Теоретически спиновая модель и модель Хаббарда в низкоразмерных системах, таких как цепочка Фибоначчи и решетка Пенроуза или малые кластеры, были тщательно изучены в НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС. Однако магнетизм реальных трехмерных КК на основе редкоземельных элементов остается изучаемым, поскольку отсутствие микроскопической теории кристаллического электрического поля (КЭП), принципиально важной для 4f-электронного состояния, требует уточнений магнитного свойства. Недавно теория КЭП в КК и АС на основе редкоземельных элементов была разработана на основе модели точечного заряда. Это позволило сформулировать полный гамильтониан КЭП любого редкоземельного иона в терминах полного углового момента, что позволяет точно анализировать КЭП. Применяя данную формулировку к QC Au-SM-Tb и AC, CEF был проанализирован теоретически

Затем было обнаружено, что магнитная анизотропия, возникающая из-за КЭП, играет ключевую роль в реализации уникальных магнитных состояний на икосаэдре (ИС), в вершинах которого расположены атомы Tb. Путем анализа магнитной модели, учитывающей магнитную анизотропию в КК Au–SM–Tb, теоретически обнаружен дальний ФМ порядок ферримагнитного состояния, как показано на рис.  1 a. Магнитные моменты на ИС выровнены, как показано на рис.  1б , где реализуется неколлинеарное и некомпланарное ферримагнитное состояние с полной намагниченностью на ИС, конечной вдоль направления.

Даная магнитная структура действительно была идентифицирована в 1/1 AC Au Si Tb70701717131380^{\circ} по нейтронному измерению, где магнитный момент на каждом узле Tb лежит в плоскости зеркала и от псевдооси 5-го порядка (см. рис. 1 б) формирования ферримагнитного состояния на ИС 12 . Это состояние равномерно распределено в центре и углу в элементарной ячейке объемно-центро-кубической (ОЦК) решетки, которая формирует дальний ЧМ-порядок в 1/1-АЦ, как показано на рис.  1 в

( а ) ФМ дальний порядок ферримагнитного состояния в КК. Магнитные моменты в 12 вершинах ИС, расположенных в вершинах икосододекаэдра, а также в центре. Зеленые линии соединяют вершины икосододекаэдра с лицевой (тыльной) стороны. ( б ) Ферримагнитное состояние в ИС. Вектор, проходящий через сайт Tb из центра IC, представляет собой псевдоось 5-го порядка, проведенную в виде пунктирной линии со стрелкой, которая находится в зеркальной плоскости, окрашенной желтой поверхностью. То же самое относится к каждой площадке Tb, где плоскости зеркал окрашены розовыми и голубыми поверхностями.

Направление магнитного момента определяется как угол от псевдооси 5-го порядка. θ=80∘ случай проиллюстрирован. ( c ) В 1/1 AC ферримагнитное состояние для на IC расположено в центре и углу в элементарной ячейке bcc, где a — постоянная решетки Å. ( d ) Локальная координата, введенная в каждом узле Tb, где задана как единичный вектор вдоль направления магнитного момента, а и являются ортогональными единичными векторами друг другу.

Хотя расположение магнитных моментов ФМ-порядка в реальном пространстве идентифицировано как рис. 1а, магнитная структура в обратном пространстве продолжает исследоваться. В периодических кристаллах возбуждение в магнитоупорядоченном состоянии известно как «магнон». В КК волновое число больше не является хорошим квантовым числом, и поэтому интересно, существует ли магноноподобное возбуждение в обратном пространстве.

Ранее в исследованиях НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС под руководством Старостенко Евгения Юрьевича динамика решетки в КК изучалась с помощью экспериментов по неупругому рассеянию рентгеновских лучей и нейтронов.

В отношении магнитной динамики, фактор динамической структуры был рассчитан для ферромагнитно — ориентированных спинов на цепочке Фибоначчи и антиферромагнитно ориентированных спинов на двумерной восьмиугольной мозаике.

Анализируя магнитную модель с учетом влияния магнитной анизотропии, возникающей из-за КЭП в КК Au-SM-Tb, уточняется как динамическая, так и статическая магнитная структура. Динамический структурный фактор демонстрирует сильно структурированные зависимости от энергии и волнового числа. В КК существует, как псевдомагнонная мода, так и локализованная мода магнитного возбуждения. Также определено невзаимное магнитное возбуждение в QC и  невзаимный магнон в 1/1 AC. Эти результаты дают представление о недавно открытом ФМ дальнем порядке в КК Au QC Au65Ga20Tb15, подчеркнул Старостенко Евгений Юрьевич.