Фононы, магноны и экситоны в нецентросимметричноммагнитоэлектрике - антиферромагнетике CuB2O4

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В последние два десятилетия метаборат меди CuB2O4 с уникальной нецентросимметричной кристаллической структурой стал предметом активных исследований, что было связано с обнаружением в нем необычных магнитных и оптических свойств. Рассмотрены особенности распространения и поглощения света в CuB2O4 на основе решения уравнений Максвелла. Представлен обзор основных результатов по исследованию фононного спектра с применением методов инфракрасной спектроскопии и комбинационного рассеяния света. Исследования в области электронных переходов в ионах Cu2+ в кристаллическом поле позволили провести разделения вкладов в оптическое поглощение от ионов меди в неэквивалентных позициях. Обнаружено расщепление бесфононных линий поглощения в магнитном поле, и эти результаты получили теоретическое объяснение в рамках экситонной модели. В спектрах фотолюминесценции наблюдалась богатая структура экситон-магнонных состояний. Проведено спектроскопическое исследование второй оптической гармоники в области экситонных переходов, что позволило выявить роль тороидного момента и резонанса Фано в наблюдаемые сигналы. Статья для специального выпуска ЖЭТФ, посвященного 95-летию Л. А. Прозоровой

Об авторах

Р. В Писарев

Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук

Email: pisarev@mail.ioffe.ru
194021, St. Petersburg, Russia

Р. М Дубровин

Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: pisarev@mail.ioffe.ru
194021, St. Petersburg, Russia

Список литературы

  1. Д. И. Менделеев, Основы химии, 8-е изд., С. Петербург (1906).
  2. M. Martinez-Ripoll, S. Martinez-Carrera, and S. Garcia-Blanco, Acta Cryst. B 27, 677 (1971).
  3. R. V. Pisarev, K. N. Boldyrev, M. N. Popova, A. N. Smirnov, V. Yu. Davydov, L. N. Bezmaternykh, M. B. Smirnov, and V. Yu. Kazimirov, Phys. Rev. B 88, 024301 (2013).
  4. K. N. Boldyrev, A. D. Molchanova, A. R. Nurmukhametov, M. V. Eremin, R. V. Pisarev, and M. N. Popova, Magnetochemistry 9, 95 (2023).
  5. G. K. Abdullaev and K. S. Mamedov, J. Struct. Chem. 22, 637 (1981).
  6. W. Depmeier, H. Schmid, and F. Haenssler, Naturwissenschaften, 67, 456 (1980).
  7. W. Depmeier and H. Schmid, Acta Cryst. B 38, 605 (1982).
  8. J. Schl¨uter, D. Pohl and U. Golla-Schindler, N. Jb. Miner., 185/1, 27 (2008).
  9. G. A. Petrakovskii, K. A. Sablina, L. V. Udod, A. I. Pankrats, D. A. Velikanova, R. Szymczak, M. Baran, G. V. Bondarenko, J. Magn. Magn. Mat., 300, e476-e478 (2006).
  10. N. D. Khanh, N. Abe, K. Kubo, M. Akaki, M. Tokunaga, T. Sasaki, and T. Arima, Phys. Rev. B 87, 184416 (2013).
  11. А. Д. Молчанова, Е. М. Мошкина, М. С. Молокеев, Е. В. Тропина, A. Ф. Бовина, К. Н. Болдырев, Оптика и спектроскопия 130, 111 (2022)
  12. A. D. Molchanova, E. M. Moshkina, M. S. Molokeev, E. V. Tropina, A. F. Bovina, K. N. Boldyrev, Optics and Spectroscopy 130, 105 (2022).
  13. A. D. Molchanova, K. N. Boldyrev, A. S. Erofeev, E. M. Moshkina, and L. N. Bezmaternykh, J. Phys.: Conf. Ser. 917, 072003 (2017).
  14. I. B. Bersuker, The Jahn-Teller effect, Cambridge University Press (2006).
  15. H. Behm, Acta Cryst. B B38, 2781 (1982).
  16. A. D. Molchanova, M. A. Prosnikov, R. M. Dubrovin, V. Yu. Davydov, A. N. Smirnov, R. V. Pisarev, K. N. Boldyrev, and M. N. Popova, Phys. Rev. B 96, 174305 (2017).
  17. Е. М. Мошкина, Н. А. Бельская, М. С. Молокеевa, А. Ф. Бовина, К. А. Шабанова, Д. Кох, Ю. В. Сереткин, Д. А. Великановa, Е. В. Еремин, А. С. Крылов, Л. Н. Безматерных, ЖЭТФ 163, 24 (2023)
  18. E. M. Moshkina, N. A. Belskaya, M. S. Molokeev, A. F. Bovina, K. A. Shabanova, D. Kokh, Yu. V. Seretkin, D. A. Velikanov, E. V. Eremin, A. S. Krylov and L. N. Bezmaternykh, J. Exp. Theor. Phys. 163, 17 (2023).
  19. M. Boehm, B. Roessli, J. Schefer, A. S. Wills, B. Ouladdiaf, E. Leli'evre-Berna, U. Staub, and G. A. Petrakovskii, Phys. Rev. B 68, 024405 (2003).
  20. А. Е. Петрова, А. И. Панкрац, ЖЭТФ, 153, 607 (2018)
  21. A. E. Petrova, A. I. Pankrats, J. Exp. Theor. Phys. 126, 506 (2018).
  22. T. Kawamata, N. Sugawara, S. M. Haider, and T. Adachi, et al, J. Phys. Soc. Jpn. 88, 114708 (2019).
  23. С. Н. Мартынов, Письма в ЖЭТФ 90, 60 (2009)
  24. S. N. Martynov, JETP Letters 90, 55 (2009).
  25. С. Н. Мартынов, ЖЭТФ 135, 82 (2009)
  26. S. N. Martynov, J. Exp. Theor. Phys., 108, 72 (2009).
  27. С. Н. Мартынов, ЖЭТФ 136, 1134 (2009)
  28. S. N. Martynov, J. Exp. Theor. Phys., 109, 979 (2009).
  29. G. N'enert, L. N. Bezmaternykh, A. N. Vasiliev, and T. T. M. Palstra, Phys. Rev. B 76, 144401 (2007).
  30. М. В. Еремин, А. Р. Нурмухаметов, Письма в ЖЭТФ, 114, 31 (2021)
  31. M. V. Eremin, A. R. Nurmukhametov, JETP Letters, 114, 35 (2021).
  32. А. Р. Нурмухаметов, М. В. Еремин, ЖЭТФ 162, 390 (2022)
  33. A. R. Nurmukhametov, M. V. Eremin, J. Exp. Theor. Phys. 135, 339 (2022).
  34. M. Saito, K. Ishikawa, K. Taniguchi, and T. Arima, Phys. Rev. Lett. 101, 117402 (2008).
  35. H. D. Flack, Acta Cryst. Sect. A 65, 371 (2009).
  36. International Tables for Crystallography, Volume A: Space Group Symmetry, Th. Hahn, Editor, Springer (2002).
  37. S. F. Mason, Molecular optical activity and the chiral discriminations, Cambridge University Press, New York (1982).
  38. S. W. Lovesey and U. Staub, J. Phys.: Condens. Matter 21, 142201 (2009).
  39. T. Arima and M. Saito J. Phys.: Condens. Matter 21, 498001 (2009).
  40. S. W. Lovesey and U. Staub J. Phys.: Condens. Matter 21, 498002 (2009).
  41. S. W. Lovesey, Phys. Rev. B 94, 094422 (2016).
  42. A. K. Zvezdin and V. A. Kotov, Modern Magnetooptics and Magnetooptical Materials, CRC Press, Taylor and Francis (1997).
  43. A. I. Nikitchenko and R. V. Pisarev, Phys. Rev. B 104, 184108 (2021).
  44. V. M. Agranovich and V. L. Ginsburg, Crystal optics with spatial dispersion and excitons, Wiley (1985).
  45. V. G. Ivanov, M. V. Abrashev, N. D. Todorov, V. Tomov, R. P. Nikolova, A. P. Litvinchuk, and M. N. Iliev, Phys. Rev. B 88, 094301 (2013).
  46. V. Tomov, P. M. Rafailov, and L. Yankova, J. Phys.: Conf. Ser. 682, 012028 (2016).
  47. A. S. Davydov, Theory of Molecular Excitons, Plenum, New York (1971).
  48. S. Sahoo, P. Malavi, and S. Karmakar, Phys. Rev. B 107, 094411 (2023).
  49. K. Imasaka, R. V. Pisarev, L. N. Bezmaternykh, T. Shimura, A. M. Kalashnikova, and T. Satoh, Phys. Rev. B 98, 054303 (2018).
  50. Yong-Xin Yan, Edward B. Gamble, Jr., and Keith A. Nelson, J. Chem. Phys. 83, 5391 (1985).
  51. Г. А. Смоленский, Р. В. Писарев, И. Г. Синий, Усп. физ. наук 116, 231 (1975)
  52. G. A. Smolenskii, R. V. Pisarev, and I. G. Sinii, Usp. Fiz. Nauk 18, 410 (1975).
  53. J. Ferr'e and G. A. Gehring, Rep. Prog. Phys. 47, 513 (1984).
  54. U. Fano, Phys. Rev. 124, 1866 (1961).
  55. R. V. Pisarev, I. S¨anger, G. A. Petrakovskii, and M. Fiebig, Phys. Rev. Lett. 93, 037204 (2004).
  56. R. V. Pisarev, A. M. Kalashnikova, O. Sch¨ops, and L. N. Bezmaternykh, Phys. Rev. B 84, 075160 (2011).
  57. R. G. Burns, Mineralogical Applications of Crystal Field Theory, Cambridge, 2nd Edition (1993).
  58. Olev Sild, Kristjan Haller (Eds.), Zero-Phonon Lines: And Spectral Hole Burning in Spectroscopy and Photochemistry, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg (2011).
  59. D. S. McClure, Electronic Spectra of Molecules and Ions in Crystals, Part II, Solid State Phys. 9, 399-525, F. Seitz, D. Turnbull (Eds.), Academic Press Inc., New York.
  60. R. D. Mero, C.-H. Lai, C.-H. Du, and H.-L. Liu, J. Phys. Chem. C 125, 4322 (2021).
  61. S. Toyoda, N. Abe, and T. Arima, Phys. Rev. B 93, 201109(R) (2016).
  62. S. Toyoda, N. Abe, and T. Arima, Phys. Rev. Lett. 123, 077401 (2019).
  63. R. L. Greene, D. D. Sell, W. M. Yen, A. L. Schawlow, R. M. White, Phys. Rev. Lett. 15, 656 (1965).
  64. J. W. Allen, R. M. Macfarlane, and R. L. White, Phys. Rev. 179, 523 (1969).
  65. R. Loudon, Adv. Phys. 17, 243 (1968).
  66. V. V. Eremenko, E. G. Petrov, Adv. Phys. 26, 31 (1977).
  67. Y. Tanabe and K. Aoyagi, Excitons in Magnetic Insulators, Ch.14 in Excitons, Ed. by E. I. Rashba and M. D. Sturge, North-Holland Publishing Company (1982).
  68. B. Henderson and G. F. Imbusch, Optical Spectroscopy of Inorganic Solids, Oxford University Press, New York, (1989).
  69. N. E. Kopteva, D. Kudlacik, D. R. Yakovlev, M. V. Eremin, A. R. Nurmukhametov, M. Bayer, and R. V. Pisarev, Phys. Rev. B 105, 024421 (2022).
  70. K. N. Boldyrev, R. V. Pisarev, L. N. Bezmaternykh, and M. N. Popova, Phys. Rev. Lett. 114, 247210 (2015).
  71. В. В. Меньшенин, ЖЭТФ 151, 326 (2017)
  72. V. V. Menshenin, J. Exp. Theor. Phys. 124, 279 (2017).
  73. J. Frenkel, Phys. Rev. 37, 17 (1931)
  74. Phys. Rev. 37, 1276 (1931).
  75. T. Maiman, Nature 187, 493 (1960).
  76. G. F. Imbusch, R. Kopelman, Optical Spectroscopy of Electronic Centers in Solids, pages 1-37 in Laser Spectroscopy of Solids, W. M. Yen, P. M. Selzer (Eds.).
  77. G. F. Imbusch, Luminescence from solids with high concentrations of transition metal ions, in Luminescence of Inorganic Solids, edited by D. Bartolo, V. Goldberg, and D. Pacheco (Springer, Boston, 1978), pp. 155-180.
  78. R. E. Dietz, A. Misetich, Optical Spectroscopy of Electronic Centers in Solids, pages 366-385 in Laser Spectroscopy of Solids, W. M. Yen, P. M. Selzer (Eds.).
  79. D. Kudlacik, V. Yu. Ivanov, D. R. Yakovlev, V. F. Sapega, J. J. Schindler, J. Debus, M. Bayer, and R. V. Pisarev, Phys. Rev. 102, 035128 (2020).
  80. D. Kudlacik, Absorption und Photoluminesczenspectroskopie an CuB2O4, Masterarbeit, Technische Universit¨at Dortmund (2013).
  81. J. Mund, D. R. Yakovlev, A. N. Poddubny, R. M. Dubrovin, M. Bayer, and R. V. Pisarev, Phys. Rev. B 103, L180410 (2021).
  82. Y. R. Shen, The Principles of Nonlinear Optics, Wiley Classics Library (2003).
  83. R. W. Boyd, Nonlinear Optics, 3d edition, Academic Press (2020).
  84. M. Fiebig, D. Fr¨ohlich, Th. Lottermoser, V. V. Pavlov, R. V. Pisarev, and H.-J. Weber, Phys. Rev. Lett. 87, 137202 (2001).
  85. M. Fiebig, Th. Lottermoser, V. V. Pavlov and R. V. Pisarev, J. Appl. Phys. 93, 6900 (2003).
  86. M. Fiebig, D. Fr¨ohlich, Th. Lottermoser, V. V. Pavlov, R. V. Pisarev, and H.-J. Weber, J. Magn. Magn. Mat. 258-259, 110 (2003).
  87. M. Fiebig, R. V. Pisarev, J. Magn. Magn. Mat. 272-276, e1607 (2004).
  88. M. Fiebig, V. V. Pavlov, and R. V. Pisarev, J. Opt. Soc. Am. 22, 96 (2005).
  89. S. Toyoda, M. Fiebig, T.-H. Arima, Y. Tokura, and N. Ogawa, Sci. Adv. 7, sciadv.abe2793 (2021).
  90. V. M. Dubovik, V. V. Tugushev, Physics Reports 187, 145 (1990).
  91. S. Nanz, Toroidal Multipole Moments in Classical Electrodynamics, Springer Spektrum, Wiesbaden (2016).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2023