Дальневосточный математический журнал

К содержанию выпуска


Разбавленный спиновый лед во внешнем магнитном поле


А.А. Кузин, A.А. Перетятько, К.С. Солдатов, К.В. Нефедев

2017, выпуск 1, С. 59-81


Аннотация
В работе представлены результаты исследования эффектов, возникающих под действием внешнего магнитного поля в разбавленных плоской и объемной системах спинового льда в модели спинов Изинга со взаимодействием ближайшего окружения. Мы иследовали системы спинов на $2D$ треугольной и кагоми-решетках, а также $3D$-решетке пирохлора с помощью метода реплично-обменного Монте-Карло. В отсутствие разбавления наблюдаются только два плато – в зависимости от намагниченности внешнего поля для всех трех рассматриваемых типов решеток. Установлено существование пяти плато на кривых намагничивания разбавленной антиферромагнитной модели Изинга во внешнем поле $[111]$ на треугольной решетке и решетке пирохлора. Для спинового льда на решетке кагоми наблюдалось семь плато. Показано, что причина возникновения плато связана с наличием критических полей реализации наиболее энергетически выгодных локальных конфигураций спинов в разбавленных моделях.

Ключевые слова: модель Изинга, метод Метрополиса, метод реплично-обменного Монте-Карло, решетка пирохлора, треугольная решетка, кагоми-решетка

Полный текст статьи (файл PDF)

Библиографический список

[1] M.J. Harris, S.T. Bramwell, D.F. McMorrow, T. Zeiske, and K.W. Godfrey, “Geometrical Frustration in the Ferromagnetic Pyrochlore Ho2 Ti2 O7 ”, Phys. Rev. Lett., 79:13, (1997), 2554–2557.
[2] A.P. Ramirez, A. Hayashi, R.J. Cava, R. Siddharthan, and B.S. Shastry, “Zero-point entropy in ‘spin ice’”, Nature (London), 399, (1999), 333–335.
[3] S.T. Bramwell and M.J.P. Gingras, “Spin Ice State in Frustrated Magnetic Pyrochlore Materials”, Science, 294, (2001), 1495–1501.
[4] M.J. Harris, S.T. Bramwell, P.C.W. Holdsworth, and J.D.M. Champion, “Liquid-Gas Critical Behavior in a Frustrated Pyrochlore Ferromagnet”, Phys. Rev. Lett., 81:20, (1998), 4496–4499.
[5] R. Moessner and S.L. Sondhi, “Theory of the [111] magnetization plateau in spin ice”, Phys. Rev. B, 68:6, (2003), 064411.
[6] S.V. Isakov, K.S. Raman, R. Moessner, and S.L. Sondhi, “Magnetization curve of spin ice in a [111] magnetic field”, Phys. Rev. B, 70:10, (2004), 104418.
[7] K. Matsuhira, Z. Hiroi, T. Tayama, S. Takagi, and T. Sakakibara, “A New Macroscopically Degenerate Ground State in the Spin Ice Compound Dy2 Ti2 O7 under a Magnetic Field”, J. Phys.: Condens. Matter, 14, (2002), L559.
[8] Z. Hiroi, K. Matsuhira, S. Takagi, T. Tayama, T. Sakakibara, “Specific Heat of Kagome Ice in the Pyrochlore Oxide Dy2 Ti2 O7”, J. Phys. Soc. Jpn., 72:2, (2003), 411–418.
[9] R. Higashinaka, H. Fukazawa, and Y. Maeno, “Anisotropic release of the residual zero-point entropy in the spin ice compound Dy2 Ti2 O7: Kagome ice behavior”, Phys. Rev. B, 68:1, (2003), 014415.
[10] H. Fukazawa, R.G. Melko, R. Higashinaka, Y. Maeno, and M.J.P. Gingras, “Magnetic anisotropy of the spin-ice compound Dy2 Ti2 O7”, Phys. Rev. B, 65:1, (2002), 054410.
[11] L. Pauling, “The structure and entropy of ice and of other crystals with some randomness of atomic arrangement”, J. Am. Chem. Soc., 57:12, (1935), 2680–2684.
[12] X. Ke, R.S. Freitas, B.G. Ueland, G.C. Lau, M.L. Dahlberg, R.J. Cava, R. Moessner, and P. Schiffer, “Nonmonotonic zero-point entropy in diluted spin ice”, Phys. Rev. Lett., 99:13, (2007), 137203.
[13] T. Lin, X. Ke, M. Thesberg, P. Schiffer, R.G. Melko, and M.J.P. Gingras, “Nonmonotonic residual entropy in diluted spin ice: A comparison between Monte Carlo simulations of diluted dipolar spin ice models and experimental results”, Phys. Rev. B, 90, (2014), 214433.
[14] S. Scharffe, O. Breunig, V. Cho, P. Laschitzky, M. Valldor, J.F. Welter, and T. Lorenz, “Suppression of Pauling’s residual entropy in the dilute spin ice (Dy1?x Yx )2 Ti2 O7”, Phys. Rev. B, 92:18, (2015), 180405(R).
[15] Yu.A. Shevchenko, K.V. Nefedev, Y. Okabe, Phys. Rev. E, unpublished.
[16] K. Hukushima and K. Nemoto, “Exchange Monte Carlo Method and Application to Spin Glass Simulations”, J. Phys. Soc. Jpn., 65, (1996), 1604–1608.
[17] E. Marinari, “Optimized Monte Carlo methods”, Advances in Computer Simulation, ed. J. Kertesz and I. Kondor, Springer-Verlag, 1998, 50–81.
[18] L.W. Lee and A.P. Young, “Single spin- and chiral-glass transition in vector spin glasses in three-dimensions”, Phys. Rev. Lett., 90, (2003), 227203.
[19] Y. Sugita and Y. Okamoto, “Replica-exchange molecular dynamics method for protein folding”, Chem. Phys. Lett., 314, (1999), 141–151.
[20] X. Yao, “Dilute modulation of spin frustration in triangular Ising antiferromagnetic model: Wang–Landau simulation”, Solid State Commun, 150:3–4, (2010), 160–163.
[21] M Zukovic, M. Borovsky, and A. Bobak, “Phase diagram of a diluted triangular lattice Ising antiferromagnet in a field”, Phys. Lett. A, 374:41, (2010), 4260–4264.
[22] A. Peretyatko, K. Nefedev, and Yu. Okabe, “Interplay of dilution and magnetic field in the nearest-neighbor spin-ice model on the pyrochlore lattice”, Phys. Rev. B, 95:14, (2017), 144410.
[23] Y. Qi, T. Brintlinger, and J. Cumings, “Direct observation of the ice rule in demagnetized artificial kagome spin ice”, Phys. Rev. B, 77:9, (2008), 094418.
[24] P.W. Kasteleyn, “Dimer Statistics and Phase Transitions”, J. Math. Phys., 4:2, (1963), 287–293.

К содержанию выпуска