ИСТИНА

Установление базовых свойств вещества является основной задачей физики конденсированного состояния и современного материаловедения. При решении возникающих при этом проблем указанные науки опираются на достижения смежных наук, в частности, минералогии, (неорганической) химии и вычислительной математики. В рамках такого "синтетического" подхода формируются конкретные задачи, значимые и наиболее актуальные для развития фундаментальной науки. В области физики низких температур и магнитных явлений в фокусе исследований находится проблема формирования экзотических магнитных структур, существования спиновой жидкости и путей реализации этого квантового основного состояния.

Quantum technologies are relevant as the basis of the current national program "Digital Economy of the Russian Federation". These technologies operate with light (photons), superconducting and magnetic materials. Magnetism is a purely quantum phenomenon, with quantum aspects manifested most vividly in low-dimensional systems with low spins. It is in such systems that quantum superposition and quantum entanglement of states are naturally realized, which is of interest for data processing and transmission. The simplest example of a two-level system with a superposition of states 0 and 1 is an isolated antiferromagnetic dimer, whereas in one-dimensional or two-dimensional magnets such states are formed by macroscopic ensembles of magnetically active ions. Prospecting work in the field of low-dimensional magnetism involves the study of objects containing isolated clusters, chains, stairs or layers of magnetically active ions. The formation of such magnetic structures is possible, in particular, by the synthesis of inorganic compounds containing ions with lone electron pairs, for example, Pb2+, Sb3+, Te4+, I5+, etc. These pairs do not take part in the chemical bond and act as a kind of chemical scissors in the crystal structure. As objects of study in this project, three inorganic compounds were selected - PbCu(SeO4)(OH)2, Pb5Cu(SeO3)4Cl4, Pb2Cu10O4(SeO3)4Cl7 - containing in their composition ions carriers of the magnetic moment Cu2+ and ions with lone electron pairs Pb2+ and Se4+. The most important factor influencing the formation of quantum ground states of low-dimensional magnets is frustration, or competition, of magnetic interactions. This can be, for example, the geometric frustration of exchanges in triangular lattices or the competition between the nearest and next nearest exchanges in the chain. The scientific novelty of the project is determined by the fact that the physical properties of all these compounds have not been established at the time of filing the application.

К концу первого года выполнения проекта будет получена информация о базовых термодинамических свойствах всех заявленных объектов. Эта информация будет получена из измерений магнитной восприимчивости, намагниченности, в том числе, в импульсных магнитных полях, теплоемкости. Измерения будут проведены в интервале температур 2 - 390 К в статических магнитных полях до 9 Т и импульсных магнитных полях до 30 Т. Будут установлены температуры установления ближнего и дальнего магнитного порядка, критические магнитные поля, оценены масштабы обменных взаимодействий и сопоставлены с результатами первопринципных расчетов. Будут установлены магнитные фазовые диаграммы изучаемых соединений. По результатам этих исследований будет подготовлен подробный отчет, что позволит провести экспертизу результатов и оценить степень выполнения заявленного в проекте плана работы.

У научного коллектива проекта имеется опыт совместной работы, что выразилось в публикации ряда работ по тематике, близкой к тематике текущих исследований. А.Н Васильевым и Е.С. Козляковой с соавторами проведено комплексное изучение оксоселенита железа Fe2O(SeO3)2, а также комплексное исследование молибдата таллия-железа и других соединений. А.Н. Васильев и З.В. Пчелкина с соавторами исследовали Rb3Ni2(NO3)7, полученный кристаллизацией из безводного азотнокислого раствора нитрата рубидия и гексагидрата нитрата никеля. В распоряжении экспериментаторов, исполнителей настоящего проекта, имеется оборудование центров коллективного пользования МГУ "Квантовые основные состояния материи" и "Криогеника". В составе этих центров имеются станции по производству жидкого азота и жидкого гелия, система измерения физических свойств Quantum Design PPMS-9T и система измерения магнитных свойств Quantum Design MPMS-7T. Кроме того, имеются установки для изучения теплопроводности, поляризации и диэлектрической проницаемости при низких температурах. Имеется спектрометр электронного парамагнитного резонанса в Х-диапазоне и установка импульсных магнитных полей. В распоряжении расчетчиков имеется вычислительный кластер со 1240 CPU, а также всё необходимое програмное обеспечение.

В первый год выполнения проекта планируется изучение термодинамических свойств - теплоемкости и намагниченности - всех заявленных объектов: PbCu(SeO4)(OH)2, Pb2Cu10O4(SeO3)4Cl7, Pb5Cu(SeO3)4Cl4, а также проведение первопринципных расчетов для каждого из указанных соединений. В качестве основных методов исследования будут использоваться измерения dc и ac восприимчивости, намагниченности в сильных, в том числе, импульсных магнитных полях. Измерения теплоемкости также будут проводиться в присутствии сильного магнитного поля. Полученные данные будут использованы для установления природы квантового основного состояния и создания предпосылок для проведения дополнительных исследований во второй год выполнения проекта с использованием резонансных методик, рассеяния мюонов и нейтронов.