Магнитный резонанс в XY-антиферромагнетике на пирохлорной решетке Er2Ti2O7

В некоторых магнитных системах расположение магнитных ионов в кристаллической решетке устроено так, что все парные взаимодействия не могут быть одновременно удовлетворены. Это явление называется геометрической фрустрацией и часто приводит к вырождению основного состояния. В модели Гейзенберга на пирохлорной решетке с антиферромагнитным обменом основное состояние системы бесконечно вырождено при низких температурах (вырождение порядка числа магнитных ионов N). Это вырождение может быть частично снято за счет сильной XY-анизотропии, оставляя однопараметрическое вырождение кратностью N^{1/3}. Это вырождение может быть снято за счёт флуктуаций. Это явление называется "Порядок из беспорядка". Если флуктуации индуцируются квантово-механически, процесс называется Порядок из Квантового Беспорядка (Order-by-Quantum-Disorder, ObQD). Пирохлорный антиферромагнетик с XY-анизотропией Er_2Ti_2O_7 демонстрирует этот эффект. Теоретические расчеты показали, что нулевые колебания генерируют анизотропию вида A*cos(6\alpha), которая приводит к тому, что соответствующая голдстоуновская мода приобретает щель порядка 0.02 мэВ ниже температуры упорядочения. Эксперименты по неупругому рассеянию нейтронов подтверждают наличие энергетической щели в спектре спиновых волн порядка \Delta = 0.053 \pm 0.006 мэВ. Известно также, что магнитное поле оказывает существенно анизотропное влияние на эту щель. Предварительные исследования спектров антиферромагнитного резонанса на частотах от 20 ГГц показали присутствие моды однородных спиновых колебаний \nu = \gamma*H, однако отклонения от этого вида могут проявиться на более низких частотах (\sim 10 ГГц). Таким образом, изучение квантовой щели в спектре возбуждений эрбиевого титаната и её поведения в магнитном поле представляет собой актуальную задачу. Для этого необходимо изучить однородную моду спиновых колебаний методом электронного спинового резонанса на частотах порядка щели (\sim 10 ГГц), где её зависимость от магнитного поля наиболее выражена. Влияние ориентации магнитного поля на щелевую моду существенно анизотропно и практически не изучено, поэтому в эксперименте необходимо вращать образец. В рамках работы разработан низкотемпературный шаговый двигатель на основе ротора со скрещенными обмотками, использующий магнитное поле имеющегося в криостате сверхпроводящего соленоида для вращения. Прототип двигателя был установлен на СВЧ-спектрометр проходного типа с прямоугольным резонатором. Испытания устройства воспроизвели угловые зависимости спектра магнитного резонанса хорошо изученного антиферромагнетика MnCO_3 при температурах 0.5 – 7.5 К в диапазоне углов \pm 100° от начального положения. Исследованы перегрев ячейки и криостата, оценено тепловыделение механизма. Последующие измерения спектров АФМР XY-антиферромагнетика на пирохлорной решетке Er_2Ti_2O_7 на низких частотах показали, что мода однородных колебаний, ранее считавшаяся изотропной \gamma*H, при частотах \sim 10 ГГц сильно зависит от магнитного поля. Изменение положения резонансной линии почти в 2 раза слишком велико, чтобы объяснить его изменением g-фактора в кристалле с кубической симметрией. Это интерпретируется как наличие щели в спектре спиновых волн, зависящей от направления магнитного поля. Температурное поведение щелевой моды качественно согласуется с результатами, полученными методом рассеяния нейтронов. Сдвиг линии поглощения при нагреве в область более высоких полей характерен для щелевой моды, уменьшающейся с повышением температуры и зануляющейся при T_N, хотя полное согласие не достигнуто из-за сложного поведения системы около температуры упорядочения. В ходе работы выявлены значимые особенности в спектрах АФМР XY-антиферромагнетика на пирохлорной решетке Er_2Ti_2O_7. Эти результаты открывают перспективы для дальнейших исследований в данном направлении.