Читать онлайн «Беспорядок и порядок в квантовых спиновых цепочках»

Министерство образовавия Российской Федерации Государствеввое образователввое учреждевие высшего профессионалввого образовавия Московский физико-технический институт (государствеввый увиверситет) А. И. Смирнов БЕСПОРЯДОК И ПОРЯДОК В КВАНТОВЫХ СПИНОВЫХ ЦЕПОЧКАХ Учебно-методическое пособие МОСКВА 2004 УДК 73/23 Составитель: д. ф. -м. н. Смирнов А. И. Рецензент Доктор физико-математических наук А. С. Прохоров Смирнов А. И. Беспорядок и порядок в квантовых спиновых цепочках. "Учебно-метод. пособие. — М. : МФТИ, 2004. - 64 с. В учебно-методическом пособии по дополнительным главам курса "низкотемпературный магнетизм", описаны основные концепции, теоретические и экспериментальные результаты изучения магнитных кристаллов, содержащих спиновые цепочки. Исследования в этой области составляют одно из быстро развивающихся направлений современного магнетизма. Пособие предназначено для факультативных занятий при обучении студентов 3-5 курсов Московского физико-технического института и других физических вузов. © Московский физико-технический институт (государственный университет), 2004 2 Опилки мои в беспорядке Винни-Пух 1. Введение. В магнитных структурах, содержащих спиновые цепочки, реализуются квантовые неупорядоченные состояния, не имеющие аналогов в классической физике. Формулировка задачи очень проста, а на пути ее решения возникают нетривиальные и неожиданные результаты, полученные и теоретически, и экспериментально. Данное пособие посвящено двум избранным вопросам физики магнитных низкоразмерных систем. Сначала мы рассмотрим неупорядоченные основные состояния обменно- коррелированных систем, так называемые спиновые жидкости. Затем — обсудим образующиеся на фоне спиновой жидкости мезоскопические и макроскопические магнитоупорядоченные структуры, возникающие при введении немагнитных примесей. Мы опишем проблемы и пути их решения, а также полученные в теории и эксперименте нетривиальные результаты. Читатели, интересующиеся строгими теоретическими доказательствами и подробностями эксперимента, могут последовать ссылкам на оригинальные работы. Пособие ориентировано на студентов 3—4 курса МФТИ и физических факультетов, интересующихся современными аспектами физики конденсированного состояния, физики твердого тела, физики низких температур. Предполагается, что читатель знаком с понятиями о спине электрона, спиновой части волновой функции, собственных и несобственных состояниях операторов, обменном взаимодействии и основными представлениями физики твердого тела. 2. Основное состояние антиферромагнетика Упорядочение атомных магнитных моментов в твердых телах связано со спин-зависящим взаимодействием, энергия которого значительно превышает энергию дипольного взаимодействия спиновых магнитных моментов. Это — обменное взаимодействие, которое связано со спиновой степенью свободы электронов и принципом Паули, устанавливающим взаимосвязь спиновой и координатной частей волновой функции системы тождественных частиц. Энергия обменного взаимодействия определяет- 3 2.