Спектроскопия высокого разрешения сложных функциональных боратов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-12-00413

НазваниеСпектроскопия высокого разрешения сложных функциональных боратов

Руководитель Попова Марина Николаевна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт спектроскопии Российской академии наук , г Москва

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-304 - Спектроскопия

Ключевые слова Оптическая спектроскопия высокого разрешения, сложные бораты, ионы переходных металлов, кристаллическое поле, линейный антиферромагнитный дихроизм, фазовые переходы, электрон-фононное, магнитоупругое, магнитоэлектрическое, обменное взаимодействия

Код ГРНТИ29.31.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на изучение механизмов различных взаимодействий (электрон-фононного, спин-фононного, магнитоупругого, магнитоэлектрического, обменного, мультипольного, локализованных 3d и 4f электронов с кристаллическим полем) и их роли в формировании кристаллических и магнитных структур и спектра элементарных возбуждений в сложных боратах переходных металлов. В проекте будут исследованы две группы структурно сложных боратов – мультиферроиков, изучение которых важно не только с точки зрения фундаментальной физики твердого тела, но и для реализации практических приложений. Это 1) редкоземельные (РЗ) бораты RM3(BO3)4 (R=Y, Pr-Er; M= Fe, Al, Ga) и 2) метабораты меди – CuB2O4 и легированные марганцем соединения Cu_(1-x) Mn_xB2O4. Соединения первой группы принадлежат большому семейству боратов с общей формулой RM3(BO3)4 (R=Y, La-Lu; M= Fe, Cr, Al, Sc, Ga). Из этого семейства для проекта выбраны соединения, которые удается получить в виде больших структурно-однофазных монокристаллов хорошего оптического качества, перспективных для новых применений. Алюмобораты нашли применение для лазеров с самоудвоением частоты, микролазеров, генераторов высоких гармоник. Однако один из наиболее интересных для практических применений алюмоборат– NdAl3(BO3)4 кристаллизуется в центросимметричной группе C2/c и не обладает оптической нелинейностью. Альтернативой может быть NdGa3(BO3)4, имеющий нецентросимметричную структуру. Иисследование галлиевых боратов включено в проект. Кристаллическая структура боратов RM3(BO3)4 характеризуется наличием изолированных винтовых цепочек октаэдров MO6, что в случае магнитных М3+ ионов с незаполненной d- оболочкой (M=Fe, Cr) означает квазиодномерность магнитной d- подсистемы. Взаимодействие d- и f- (РЗ) магнитных подсистем приводит к большому разнообразию магнитных свойств, в зависимости от комбинации d- и f- ионов переходных металлов в структуре. В ферроборатах недавно наблюдались новые физические эффекты – киральность квадрупольных моментов РЗ ионов, связанные электрон-фононные возбуждения. Установлено, что РЗ ферро-, алюмо- и галлиевые бораты – мультиферроики, и в некоторых из них была продемонстрирована возможность управлять электрическими свойствами с помощью магнитного поля и наоборот. Однако до настоящего времени не ясны как причины сильного различия их магнитоэлектрических свойств (и зависимость последних от технологии роста), так и микроскопические механизмы магнитоэлектрических и магнитоупругих взаимодействий. Основное соединение второй группы - метаборат меди CuB2O4 – характеризуется сложной кристаллической структурой с двумя различными позициями для магнитных ионов Cu2+, обилием магнитных фазовых переходов и магнитных структур. Метаборат меди обладает уникальными оптическими, магнитными и магнитоэлектрическими свойствами и также выращивается в виде больших структурно-однофазных монокристаллов хорошего оптического качества (красивого синего цвета). Недавно в нем наблюдали новые физические эффекты, - гигантскую дирекционную анизотропию интенсивности люминесценции, антиферромагнитный линейный дихроизм в кристаллографически изотропной ab плоскости. В легированном никелем соединении (CuNi)B2O4 были продемонстрированы управление намагниченностью кристалла с помощью электрического поля и оптический контроль этого процесса, а также управление электрической поляризацией с помощью магнитного поля. В проекте ставится задача исследования электронных, спиновых и решеточных (фононы) возбуждений, их динамики и взаимодействий, фазовых переходов, магнитных структур, фазовых H-T диаграмм, эффектов допирования в названных сложных боратах. Экспериментально такое исследование будет проводиться методами широкодиапазонной (10 – 30000 см-1) оптической фурье-спектроскопии высокого разрешения (до 0.01 см-1), с использованием внешних магнитных полей (до 30 Т) и широкого интервала температур (1.6 – 400 К). На основании полученных экспериментальных данных будут построены теоретические модели, объясняющие магнитоупругие и магнитоэлектрические свойства этих соединений, особенности фазовых переходов и магнитных структур, а также (для РЗ ферроборатов) эффекты, обусловленные низкосимметричными компонентами кристаллического поля в низкотемпературной структурной фазе и анизотропией обменных взаимодействия между 3d ионами и РЗ ионами. Новизна поставленной задачи определяется следующими обстоятельствами: 1) будет проведено экспериментальное и теоретическое исследование связанных электрон-фононных возбуждений и их поведения в магнитном поле, впервые для мультиферроиков; 2) будет применен чрезвычайно чувствительный метод линейного дихроизма для исследования магнитных фазовых переходов и магнитных структур, что позволит снять противоречия в имеющихся нейтронных и других данных и/или дополнить фазовые H-T диаграммы; 3) будет исследована микроскопическая природа дирекционного дихроизма; 4) будет исследован ряд новых соединений, спектроскопическая информация о которых отсутствует (при этом для РЗ боратов семейства хантита спектроскопические данные будут проанализированы в рамках систематического подхода для всего ряда по редкой земле в данном подсемействе); 5) будет расширен арсенал теоретических методов и моделей (в том числе, используемых в физике систем сильно коррелированных электронов и в физике магнитных цепочек) при интерпретации экспериментальных данных. Это позволит получить физически обоснованные параметры кристаллического поля и обменных взаимодействий, что первостепенно важно для объяснения термодинамических и магнитных характеристик и построения микроскопической теории магнитоупругих и магнитоэлектрических свойств. Решение поставленной в проекте задачи будет означать существенное продвижение в понимании физики названных соединений, что, в частности, необходимо для полной реализации их прикладного потенциала.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Н.Н. Кузьмин, К.Н. Болдырев, Н.И. Леонюк, С.Ю. Стефанович, М.Н. Попова Люминесцентные и нелинейно-оптические свойства боратов LnGa3(BO3)4 (Ln=Nd, Sm, Tb, Er, Dy, Ho), Оптика и спектроскопия, 127, 1, 112-117 (год публикации - 2019)
10.21883/OS.2019.07.47937.101-19

2. Б.З. Малкин, Е.А.Попова, Е.П.Чукалина, А.Яблуновский, М.Н.Попова Self-Consistent Four-Particle Cluster Model of Fe3+ Heisenberg Chains: Spectral and Magnetic Properties of YFe3(BO3)4 Crystals Physica Status Solidi (RRL) - Rapid Research (год публикации - 2019)
10.1002/pssr.201900603

3. Елена Попова, Елена Чукалина, Кирилл Болдырев, Артём Яблуновский, Ирина Гудим Magnetic structure of ErFe3(BO3)4: spectroscopic and thermodynamic studies Journal of Magnetism and Magnetic Materials (год публикации - 2019)

4. К.Н. Болдырев, А.Д. Молчанова, Р.В. Писарев, М.Н. Попова Необычные оптические свойства метабората меди Материалы Юбилейной международной молодежной конференции по люминесценции и лазерной физике, посвященной 50-летию первой школы по люминесценции в Иркутске 2019, 113-114 (год публикации - 2019)

5. К.Н. Болдырев, А.Д. Молчанова, Н.Н. Кузьмин, М.Н. Попова Невзаимность поглощения в спектрах монокристалла CuB2O4: нерешённые вопросы Материалы XXV международной конференции; Краснодар 2019 г., 463-464 (год публикации - 2019)

6. Н.Н. Кузьмин, К.Н. Болдырев, В.В. Мальцев, Н.И. Леонюк, А.Н. Блудов Раствор-расплавная кристаллизация, оптические, магнитные характеристики кристаллов TbCr3(BO3)4 Оптика и спектроскопия конденсированных сред; Материалы XXV международной конференции; Краснодар 2019 г., 476-478 (год публикации - 2019)

7. Н.Н. Кузьмин, В.В. Мальцев, Е.А Волкова, Н.И. Леонюк Синтез, спектроскопические и магнитные свойства кристаллов TbCr3 (BO3)4 Неорганические материалы (год публикации - 2019)

8. М.Н. Попова, Е.П. Чукалина, Д.А. Ерофеев, А. Яблуновский, И.А. Гудим, Б.З. Малкин High-resolution optical spectroscopy and modeling of spectral and magnetic properties of multiferroic ErFe3(BO3)4 Physical Review B, 101, 205108 (год публикации - 2020)
10.1103/PhysRevB.101.205108

9. А.Д. Молчанова, К.Н. Болдырев, Е.М. Мошкина, М.Н. Попова Анализ спектров поглощения метабората меди CuB2O4, легированного ионами Ni2+ и Mn2+, в области электронных d-d переходов Материалы XXV международной конференции «Оптика и спектроскопия конденсированных сред», c.60 (год публикации - 2020)

10. К.Н. Болдырев, Н.Н. Кузьмин, Е.А. Добрецова Структурные особенности твердых растворов NdxGd1−xCr3(BO3)4 Optics and Spectroscopy, 129 (1), 41 (год публикации - 2021)
10.21883/OS.2021.01.50437.248-20

11. Е.П. Чукалина, А. Яблуновский, К.Н. Болдырев, М.Н. Попова, И.А. Гудим Исследование магнитных свойств ферробората самария SmFe3(BO3)4 методом спектроскопического эрбиего зонда Материалы XXV международной конференции «Оптика и спектроскопия конденсированных сред», с.62 (год публикации - 2020)

12. М.Н. Попова, Е.П. Чукалина, Д.А. Ерофеев, И.А. Гудим, И.В. Голосовский, А. Гукасов, А.А. Мухин, Б.З. Малкин High-resolution optical spectroscopy, magnetic properties, and single-crystal neutron diffraction of multiferroic HoFe3(BO3)4: Magnetic structure Physical Review B, 103, 094411 (год публикации - 2021)
10.1103/PhysRevB.103.094411

13. К.Н. Болдырев, В.М. Бурлаков, И.А. Гудим, С.Ю. Гаврилкин, М.Н. Попова Regulation of the phase transition temperature and hysteresis width by changing the composition of Eu1–xLaxFe3(BO3)4 solid solution Physical Review Materials, 5, 094414 (год публикации - 2021)
10.1103/PhysRevMaterials.5.094414

14. А.Д. Молчанова, К.Н. Болдырев, Е.М. Мошкина Spectroscopic study and analysis of d-d transitions in Ni ions in nickel orthoborate (Cu, Ni)B2O4 The 4th International Baltic Conference on Magnetism IBCM 2021. Book of Abstracts, Svetlogorsk, 165 (год публикации - 2021)

15. Кирилл Н. Болдырев, Ирина А. Гудим, Марина Н. Попова Luminescence of EuxLa1-xFe3(BO3)4 mixed crystals 19th International Conference on Luminescence, Abstract Book, China, PP-18 (год публикации - 2021)

16. Е. Мошкина, М. Молокеев, Н. Бельская, И. Немцев, А. Молчанова, К. Болдырев Metastable growth and infrared spectra of CuB2O4:Ni single crystals CrystEngComm, 23, 6761 (год публикации - 2021)
10.1039/d1ce00729g

17. Н.Н. Кузьмин, Е.А. Добрецова, К.Н. Болдырев Magnetic phase transitions in the new multiferroic SmCr3(BO3)4 The 4th International Baltic Conference on Magnetism IBCM 2021. Book of Abstracts, Svetlogorsk, 58 (год публикации - 2021)

18. К.Н. Болдырев, Н.Н. Кузьмин, А.А. Мухин, И.Ю. Иванов, Е.А. Добрецова, Е.А. Попова, С.Ю. Гаврилкин, Н.И. Леонюк, В.В. Мальцев, Б.З. Малкин, М.Н. Попова Thermal and magnetic properties and optical spectroscopy of SmCr3(BO3)4 Physical Review Materials, 5, 104413 (год публикации - 2021)
10.1103/PhysRevMaterials.5.104413

19. А.Д. Молчанова, Е.М. Мошкина, М.С. Молокеев, Е.В. Тропина, A.Ф. Бовина, К.Н. Болдырев Синтез и оптические свойства кристаллов метабората меди, легированного никелем Оптика и спектроскопия, 130 (1), 111 (год публикации - 2022)
10.21883/OS.2022.01.51897.41-21

20. Н.Н. Кузьмин, К.Н. Болдырев, В.В. Мальцев Спектроскопическое исследование TbCr3(BO3)4 Оптика и спектроскопия, 130 (1), 65 (год публикации - 2022)
10.21883/OS.2022.01.51891.30-21

21. Е.П. Чукалина, А. Яблуновский, И.А. Гудим Исследование магнитных свойств ферроборатов неодима и самария методом спектроскопического эрбиевого зонда Оптика и спектроскопия, 130 (1), 104 (год публикации - 2022)
10.21883/OS.2022.01.51896.23-21

22. А.Д. Молчанова, Е.В. Тропина, К.Н. Болдырев, Е.М. Мошкина, М.Н. Попова Спектры люминесценции метабората меди, легированного никелем (Cu,Ni)B2O4 Материалы XVIII молодёжной конференции с международным участием по люминесценции и лазерной физике, Издательство ИГУ, Иркутск, 100 (год публикации - 2021)

23. К.Н. Болдырев, А.Д. Молчанова, Р.В. Писарев, М.Н. Попова Absorption non-reciprocity on exciton-magnon-phonon states of the magnetoelectric antiferromagnet CuB2O4 The 4th International Baltic Conference on Magnetism IBCM 2021. Book of Abstracts, Svetlogorsk, 36 (год публикации - 2021)

24. Н.Н. Кузьмин, В.В. Мальцев, Е.А. Волкова, К.Н. Болдырев Кристаллизация редкоземельных хромовых боратов с тяжелыми редкими землями X Национальная кристаллохимическая конференция, Тезисы докладов, Приэльбрусье, 197 (год публикации - 2021)

Публикации