Слоистые магнетики
Слои́стые магне́тики, квазидвумерные системы, в которых обменное взаимодействие между слоями магнитных атомов намного меньше, чем взаимодействие в слое. Благодаря этому магнетизм таких систем характеризуются рядом специфических свойств, перспективных для практического применения. В частности, намагниченность, магнитная атомная структура и температура магнитного упорядочения чувствительны к количеству слоёв и могут легко регулироваться внешними параметрами (например, магнитным полем или давлением).
Примеры таких систем – слоистые перовскиты, в том числе , , (магнитная анизотропия типа «лёгкая ось»), , (магнитная анизотропия типа «лёгкая плоскость»); ряд органических соединений; ферромагнитные плёнки и мультислои. Начиная с конца 1980-х гг. интерес к низкоразмерным соединениям возрос в связи с открытием высокотемпературных сверхпроводников, особенно на основе слоистых купратов и , в которых важную роль играет магнетизм медь-кислородных плоскостей. В последние годы активно исследуются т. н. ван-дер-ваальсовы слоистые и двумерные (монослойные) системы, из которых наиболее известны и . Магнитные свойства этих материалов существенно зависят от структуры и количества слоёв, а также чувствительны к внешним воздействиям.
В отличие от трёхмерных систем в чисто двумерных и слоистых системах магнитное упорядочение может подавляться из-за сильных флуктуаций магнитного параметра порядка, причём сама возможность упорядочения зависит от симметрии системы. Согласно теореме Мермина – Вагнера, магнитный порядок в двумерных системах, описываемых изотропной моделью Гейзенберга, отсутствует при конечных температурах и возникает только в основном состоянии (в противоположность двумерной модели Изинга, где благодаря симметрии «лёгкая ось» имеется конечная температура магнитного перехода , даваемая точным решением Онсагера. Реальные слоистые магнетики обладают конечной, хотя и низкой (намного меньшей , где – величина обменного взаимодействия в слое) за счёт слабого межслоевого обмена или анизотропии типа «лёгкая ось». Выше существует широкая область температур, в которой реализуется сильный ближний порядок (в чисто двумерном случае он сохраняется до температур порядка ), с большой корреляционной длиной и спин-волновой картиной спектра. Оценка в рамках спин-волновой теории даёт , где – величина обменного взаимодействия между слоями, – параметр анизотропии. Для количественного описания экспериментальных данных по слоистым ферро- и антиферромагнетикам были развиты теоретико-полевые подходы, позволяющие учесть вклад в термодинамические свойства спин-флуктуационных возбуждений, которыми пренебрегают в спин-волновых теориях.
В двумерных системах с анизотропией типа «лёгкая плоскость» (в том числе в предельном случае XY-модели с бесконечно сильной анизотропией) обычный магнитный фазовый переход отсутствует, однако существуют топологические вихревые возбуждения и возникает топологический фазовый переход (переход Березинского – Костерлица – Таулеса), связанный с диссоциацией вихревых пар при температуре . Включение слабого межслоевого обмена приводит к появлению магнитного фазового перехода выше благодаря существованию «квазидальнего» порядка при . В этом случае спин-волновые возбуждения играют определяющую роль в температурной зависимости намагниченности при низких температурах.