Тепловые свойства низкоразмерных металлооксидных магнетиков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.09, кандидат физико-математических наук Маркина, Мария Михайловна

• Маркина, Мария Михайловна
• кандидат физико-математических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Маркина, Мария Михайловна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОСНОВНОЕ СОСТОЯНИЕ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ

МАГНЕТИКОВ.

§1.1. Основное состояние классических 3D ферромагнетиков и антиферромагнетиков.

§ 1.1.1. Эффекты дальнего порядка в приближении молекулярного поля.

§ 1.1.2. Магнитный обмен.

§ 1.1.3. Квантовые модели Изинга и Гейзенберга.

§ 1.1.4. Метод спиновых волн. Основное состояние ферромагнетика и антиферромагнетика.

§ 1.2. Основное состояние магнитных 0D систем.

§ 1.2.1. Изолированный парамагнитный ион.

§ 1.2.2. Димер.

§1.3. Основное состояние одномерных магнитных систем.

§ 1.3.1. Точные решения задачи Изинга.

§ 1.3.2. Квазиодномерная цепочка спинов S =1/2.

§ 1.3.3. Квазиодномерная цепочка спином 5=1.

§ 1.3.4. Альтернированные цепочки.

§ 1.3.5. Спиновые лестницы S =1/2.

§ 1.3.6. Sri4Cu2404i - комбинация спиновых цепочек и лестниц

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ, ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТА

ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ.

§2Л. Исследование теплоемкости.

§2Л Л. Квазиадиабатический микрокалориметр.

§2.2. Исследование теплопроводности.

§2.2.1. Метод стационарного потока тепла.

§2.3. Исследование коэффициента теплового расширения.

§2.3.2. Емкостной дилатометр.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

§3.1. Исследование тепловых свойств NaV

§3.1.1. Магнитная восприимчивость и теплоемкость

Nai.xV205 (х = 0,0.01, 0.0, 0.03, 0.04).

§ 3.1.2. Исследование теплопроводности NaV в полях до 15 Т.

§ 3.1.3. Исследование коэффициентов теплового расширения NaV205 вдоль главных кристаллографических осей в полях до 11.5 Т.

§3.2. Исследование теплоемкости и теплопроводности Na0.33V2O5.

§ 3.3. Исследование теплоемкости и теплопроводности SrCu2(B03)

§ 3.4. Исследование теплоемкости и спектра ЭПР CuGeOs: Fe.

ВЫВОДЫ.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Тепловые свойства низкоразмерных металлооксидных магнетиков»

В последнее время обнаружен ряд низкоразмерных квантовомеханических систем, в которых с понижением температуры формируется спиновая щель, отделяющая немагнитное основное состояние от спектра спиновых возбуждений. Образование спиновой щели в концентрированных магнитных системах проявляется в том, что такие соединения при низких температурах не обнаруживают ферро- или антиферромагнитного упорядочения и ведут себя как немагнитные вещества. Основным состоянием подобных соединений является спиновый синглет, то есть изолированная конфигурация спинов, в которой проекция их суммарного магнитного момента на любое направление равна нулю. Достижение системой щелевого или бесщелевого основного состояния зависит от взаимного расположения и величины спиновых магнитных моментов, величин и иерархии констант обменного взаимодействия.

Низкоразмерный магнетизм является новой областью квантовой физики. Так же, как в случаях магнетизма и сверхпроводимости, поведение низкоразмерных магнетиков невозможно описать, используя классические представления о твердом теле, поскольку достижение основного состояния при низких температурах является чисто квантовым эффектом. Существование основного состояния в низкоразмерных магнетиках говорит о глубокой общности кооперативных квантовых состояний материи.

Настоящая работа посвящена изучению тепловых и магнитных свойств новых низкоразмерных магнетиков: магнитной восприимчивости, статической намагниченности, теплоемкости, теплопроводности и коэффициентов теплового расширения. Исследования проводились на монокристаллах высокого качества; анализ полученных результатов проводился на базе современных теоретических моделей для этих систем.

Актуальность работы

В низкоразмерных металлооксидных соединениях реализуются практически все квантовые кооперативные явления, наблюдаемые в твердых телах при низких температурах: сверхпроводимость, магнетизм и волны зарядовой плотности. Понижение размерности системы в некоторых случаях позволяет найти точные решения квантово-механической задачи многих тел, а экспериментальное исследование низкоразмерных объектов дает возможность проверки фундаментальных основ физики твердого тела. Прогресс в этой области связан с получением качественных монокристаллов металлооксидных соединений, допускающих их исследование разнообразными экспериментальными методами. Большинство из металлооксидов, в которых соблюдается катион -анионное соответствие, являются магнитными диэлектриками. Базовыми методами их изучения служат измерения магнитной восприимчивости и диэлектрической проницаемости, рассеяние нейтронов, электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс, а также тепловые методики (теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение). Актуальность работы определяется тем, что она выполнена на новых низкоразмерных соединениях и предоставляет информацию о свойствах основного состояния вещества при низких температурах.

Три тепловые методики, использованные в данной работе: исследование теплоемкости, теплопроводности и коэффициентов теплового расширения, входят в число основных методов изучения металлооксидов и дополняют друг друга. Изучение теплоемкости низкоразмерных систем дает информацию о происходящих в них фазовых переходах и позволяет получить информацию о важнейших параметрах магнитной подсистемы, например, оценить величину щели в спектре магнитных возбуждений и соотношения обменных интегралов. Изучение теплового расширения вдоль основных кристаллографических направлений в монокристалле дает информацию о поведении параметров кристаллической решетки и по точности превосходит рентгеновские методы исследования. Особым методом, позволяющим получить информацию о кинетических свойствах системы и о взаимодействии различных подсистем (фононы, электроны, магноны) при разных температурах, является исследование теплопроводности. Сопоставление данных, полученных тепловыми методами, с данными резонансных и магнитных измерений позволяет составить достаточно полную картину явлений, происходящих в системе при переходе в основное состояние.

Цель работы

Целью данной работы являлось изучение тепловых свойств новых низкоразмерных металлооксидных магнетиков в широком интервале температур и магнитных полей.

В задачи работы входило:

• исследование теплоемкости, теплопроводности, теплового расширения низкоразмерного металлооксидного магнетика со спиновой щелью NaV205;

• исследование влияния отклонения от стехиометрии на магнитную восприимчивость и теплоемкость соединений Nai-xV^Os (х = 0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04);

• исследование статической намагниченности, теплоемкости и теплопроводности нового низкоразмерного соединения Nao^ViOs;

• исследование теплоемкости и теплопроводности нового низкоразмерного соединения со спиновой щелью SrCu2(B03)2;

• исследование теплоемкости и резонансного спектра спин-Пайерлсовского соединения CuGe03:Fe с замещением 1% ионов Си ионами Fe.

Научная новизна работы

В настоящей работе была впервые обнаружена и систематически исследована зависимость энергетической щели (А) в спектре магнитных возбуждений и температуры перехода в основное состояние (Тс) от дефицита ионов Na в соединениях Nai.xV205 = 0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04). Обнаружено, что А и Тс систематически уменьшаются с ростом отклонения от стехиометрии, и в соединении, содержащем 4% вакансий ионов Na, не наблюдается аномалии в теплоемкости, соответствующей открыванию энергетической щели в спектре магнонов при переходе системы в основное состояние. На основе проведенных расчетов установлено существование дополнительного вклада в теплоемкость нестехиометрических образцов за счет вакансий Na, поведение которого при низких температурах пропорционально Т2.

Впервые проведено исследование теплопроводности NaV2Os в широком интервале температур в магнитных полях. В отсутствии магнитного поля обнаружено колоссальное возрастание теплопроводности при вымерзании щелевых магнонов в области температур ниже Тс. Обнаружено слабое смещение температуры фазового перехода в область более низких температур в магнитном поле Н = 15 Тл.

Впервые проведено исследование коэффициентов теплового t3acinwnipwwar NaV^O* р»ттпгтт, гггяянмх тошотя плоггагЬических наппавлений в магнитных полях до #=11.5 Тл. Обнаружено, что величины и знаки аномалий относительного удлинения сильно различаются вдоль трех главных осей кристалла. Во внешнем магнитном поле #=11.5 Тл обнаружено слабое смещение температуры, при которой наблюдаются аномалии коэффициентов теплового расширения, в область более низких температур и незначительное влияние магнитного поля на величину аномалий.

В настоящей работе впервые было проведено исследование статической намагниченности М(Т), теплоемкости С(Т) и теплопроводности к(Т) Na0.33V2O6 и определен целый ряд параметров этого нового квазиодномерного соединения. Ряд фазовых переходов, обнаруженных в этом соединении, связан с упорядочением различных подсистем вещества. Na0.33V2O6 испытывает структурное превращение при Т -230 К, переход металл-изолятор типа зарядового упорядочения при Тс = 136 К, и формирование скошенного антиферромагнитного порядка при TN = 22 К. На зависимости М(Т) наиболее ярко проявляется магнитное упорядочение при TN. На зависимости С(Т) наблюдалось изменение наклона при 230 К, резкий пик при Тс, но формирование магнитного порядка при TN не проявилось в теплоемкости, поскольку в Nao.33V205 магнитная система сильно разбавлена. Согласно нашей оценке температура Дебая находится в интервале 490 <6Ь <456 К. В области высоких температур к(Т) ~ const, с понижением температуры виден излом при Тс, а ниже поведение к(Т) носит обычный фононный характер. Таким образом, обнаружено, что фазовые переходы, связанные с упорядочением различных подсистем по-разному проявляются на тепловых и магнитных характеристиках Nao.33V2Os.

Впервые изучены теплоемкость и теплопроводность нового соединения со спиновой щелью SrCu2(B03)2 в широком интервале температур. В теплоемкости обнаружен широкий максимум при Т~ 8.3 К, обусловленный формированием спектра спиновых возбуждений. Отсутствие резкой аномалии в теплоемкости связано с тем, что установление основного состояния происходит без фазового перехода при конкретной температуре. Это подтверждается температурной зависимостью теплопроводности SrCu2(B03)2, которая демонстрирует характерную для низкоразмерных магнетиков картину с двумя максимумами при температурах - 3.7 К и ~ 47 К.

Впервые проведено совместное исследование теплоемкости и спектра ЭПР легированного CuGeCbiFe. На основе расчетов низкотемпературного поведения интегральной интенсивности линии ЭПР, пропорциональной магнитной восприимчивости, и теплоемкости Cuo.ggFeo.oiGeCb установлено, что в этом соединении реализован случай сильного разупорядочения цепочек ионов Си, для которого теоретически было предсказано степенное поведение магнитной восприимчивости и теплоемкости при Т —> 0. Теоретические предсказания полностью подтверждаются результатами экспериментального исследования.

Практическая ценность работы

Подробные экспериментальные исследования тепловых свойств новых веществ из семейства низкоразмерных магнетиков, сделанные в настоящей работе, позволили выяснить особенности поведения кристаллической и магнитной структуры, а также взаимодействия магнонной и фононной подсистем при установлении основного состояния в этих системах. В новых соединениях экспериментальные результаты являются основой для дальнейших теоретических расчетов.

Результаты, полученные в настоящей работе, имеют большое практическое значение, образуя базис нового направления в информационных технологиях - спинтроники.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, обзорной главы, в которой рассмотрены особенности формирования основного состояния низкоразмерных магнетиков, методической главы, описывающий три тепловые методики, экспериментальной части, выводов и списка цитируемой литературы (145 наименований). Работа изложена на 138 страницах, содержит 52 рисунка, 7 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Физика низких температур», Маркина, Мария Михайловна

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате комплексного исследования тепловых свойств монокристаллов стехиометрического состава NaV205 определены температура Дебая QD = 360 К и величина энергетической щели в спектре магнитных возбуждений = 112 К. Обнаружен эффект гигантского возрастания теплопроводности NaV205 при Т < Тс. Обнаружены гигантские различающиеся по знаку аномалии коэффициента теплового расширения вдоль осей а и с в монокристалле NaV205, величина аномалии вдоль оси b на порядок меньше. Характер аномалий теплопроводности и коэффициентов теплового расширения сохраняется в сильных магнитных полях, а температура фазового перехода слабо понижается. Полученные данные были использованы для уточнения модели перестройки кристаллической решетки при фазовом переходе.

2. В нестехиометричеких образцах NaixV205 (х = 0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04) обнаружено подавление спин-щелевого поведения ростом числа вакансий Na, что проявляется в качественном изменении температурных зависимостей магнитной восприимчивости и теплоемкости. В теплоемкости, наряду с фононной (CPh = fiT3) и магнонной (Cmag = А0 ехр(-А/Т)) составляющей, л появляется квадратичное по температуре вакансионное слагаемое (СХ~Т ).

3. Обнаружены аномалии намагниченности Nao.33V205 при температуре зарядового упорядочения Тс — 136 К и при температуре установления дальнего антиферромагнитного порядка = 24 К. Появление слабого ферромагнитного момента при Т <TN обязано скосу антиферромагнитных подрешеток, обусловленного взаимодействием Дзялошинского-Мории. Фазовый переход при Тс подтверждается измерениями С(Т) и к(Т). Обнаружено, что фазовые переходы, связанные с упорядочением магнитной, зарядовой и решеточной подсистем по-разному проявляются на тепловых и магнитных характеристиках Nao.33V205. Впервые определен ряд параметров этого нового квазиодномерного соединения.

4. В квазидвумерном металлооксидном соединении SrCu2(B03)2 с синглетным основным состоянием обнаружена сложная температурная зависимость теплопроводности с чередованием максимумов при Т -3.7 К и Г-47 К и минимума при Г-9.8 К. Подавление теплопроводности на два порядка при температурах, отвечающих формированию спиновой щели в спектре магнитных возбуждений, обязано рассеянию фононов на спиновых флуктуациях. В температурной зависимости теплоемкости наблюдается широкий максимум при 7-8.3 К. Различие в температурах, при которых наблюдаются особенности на зависимостях к(Т) и С(Т), обусловлено тем, что основное состояние в SrCu2(B03)2 достигается без фазового перехода при какой-либо четко определенной температуре.

5. Обнаружено, что введение 1% ионов Fe на место ионов Си в спин-Пайерлсовском магнетике CuGe03 приводит к полному разупорядочению цепочек Си и реализации бесщелевого основного состояния. Температурные зависимости магнитной восприимчивости и магнитной части теплоемкости fi л описываются степенными функциями %(Т) - Т' ' , ' при низких температурах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Маркина, Мария Михайловна, 2002 год

1. Карлин Р. Магнетохимия. М.: Мир, 1998.

2. Хомский Д.И. "Different routes to spin gaps in low-dimensional systems": Курс лекций. Университет Гронингена, Голландия, 1999. http://online.itp.ucsb.edu/online/qmagc99/khomskii/ohy01 .html

3. Дж. Займан. Принципы теории твердого тела. М.: Мир, 1974.

4. Blote H.W.J, and Huiskamp W.J. Heat capacity measurements on Rb3CoCl5// Phys. Lett., 1969, v.29 A, pp. 304-305.

5. Ising E. Beitrag zur theorie des ferromagnetismus// Z. fur Physik, 1925, v.31, pp.253-258.

6. Onsager L. Crystal Statistics. I. A Two-Dimensional Model with an Order-Disorder Transition// Phys. Rev., 1944, v.65, pp.117-149.

7. Baker G.A, Jr. Futher applications of the Pade approximant method to the Ising and Heisenberg models// Phys. Rev, 1963, v. 129, pp.99-102.

8. Smart J.S. Magnetism, vol. ill. New York :Auauemic Press Inc., 1966

9. Guha B.C. Magnetic properties of some paramagnetic crystals// London: Proc. Roy. Soc, 1951, V.A206, pp.353-373.

10. Martin R.L. New Pathways in Inorganic Chemistry. London: Cambridge Press, 1968, chap. 9.

11. Ginsberg A.P., Bertrand J.A., Kaplan R.J., Kirkwood C.E., Martin R.L., Sherwood R.S. Magnetic exchange in transition metal complexes. Y. Ferromagnetic spin coupling in a tetranuclear nickel (II) cluster// Inorg. Chem., 1971, v. 10, pp.240-46.

12. Hodgson D.J. Structural and magnetic properties of first-row transition metal dimers containing hydroxo, substituted hydroxo, and halogen briges// Prog. Inorg. Chem., 1975, v.19, pp.173-175.

13. Doedens R.J. Structural and metal-metal interactions in copper (II) carboxylate complexes//Prog. Inorg. Chem., 1976, v.21, pp.209-31.

14. Sasago Y., Uchinokura K., Zheludev A., and Shirane G. Temperature-dependent spin gap and singlet ground state in BaCuSi206// Phys. Rev. B, 1997, v.55, pp.8357-8360.

15. Sasago Y., Hase M., Uchinokura K., Tokunaga M., and Miura N. Discovery of a spin-singlet ground state with an energy gap in CaCuGe2Cy/ Phys. Rev. B, 1995, v.52, pp.3533-3539.

16. Zheludev A., Shirane G., Sasago Y., Hase M., and Uchinokura K. Dimerized ground state and magnetic excitations in CaCuGe2CV/ Phys. Rev. B, 1996, v.53, pp.11642-11646.

17. Levenberger В., Giidel H.U., Feile R., and Kjems J.K. Magnetic field effects on the soft mode in a singlet ground-state dimer system: A neutron scattering study of Cs3Cr2Br9// Phys. Rev. B, 1985, v.31, pp.597-599.

18. Bethe H.A. Ztir theorie der Metalle. I. Eigenwcite and Eigenfunktio^eri der linearen Atomkette// Z.fiir Physik, 1931, v.71, pp.205.

19. Oguchi T. Exchange Interactions in Cu(NH3)4S04- H20// Phys. Rev., 1964, v.133, pp.A1098-A1099.

20. Scalapino D.J., Imry Y., and Pincus P. Generalized Ginzburg-Landau theory of pseudo-one-dimensional systems// Phys. Rev. B, 1975, v.l 1, pp.2042-2048.

21. Satija S.K., Axe J.D., Shirane G., Yoshizawa H., and Hirakawa K. Neutron scattering study of spin waves in one-dimensional antiferromagnet KCuF3// Phys. Rev. B, 1980, v.21, pp.2001-2007.

22. Nagler S.E., Tennant D.A., Cowley R.A., Perring T.G., and Satija S.K. Spin dynamics in the quantum antiferromagnetic chain compound KCuF3// Phys. Rev. B, 1991, v.44, pp.12361-12368.

23. Towler M.D., Dovesi R., Saunders V.R. Magnetic interactions and the cooperative Jahn-Teller effect in KCuF3// Phys. Rev. B, 1995, v.52, pp.1015010159.

24. Yoshizawa H., Hirakawa K., Satija S.K., and Shirane G. Dynamical correlation functions in a one-dimensional Ising-like antiferromagnetic CsCoCl3: A neutron scattering study//Phys. Rev. B, 1981, v.23, pp.2298-2307.

25. Tsuboi Т., Ito K. Optical study of the one-dimensional Ising-like antiferromagnet CsCoBr3// Phys. Rev. B, 1990, v.41, pp.4770-4773.

26. Sologubenko A.V., Gianno K., Ott H.R., Vietkine A., and Revcolevschi A. Heat transport by lattice and spin excitations in the spin-chain compounds SrCu02 and Sr2Cu03// Phys. Rev. B, 2001, v.64, pp.054412.

27. Ami Т., Crawford M.K., Harlow R.L., Wang Z.R., Johnston D.C., Huang Q., Erwin R.W. Magnetic susceptibility and low-temperature structure of the linear chain cuprate Sr2Cu03// Phys. Rev. B, 1995, v.51; pp.5994-6001.

28. Motoyama N., Eisaki H., and Uchida S. Magnetic Susceptibility of Ideal Spin 1/2 Heisenberg Antiferromagnetic Chain Systems, Sr2Cu03 and SrCu02// Phys. Rev. Lett., 1996, v.76, pp.3212-3215.

29. Sologubenko A.V., Felder E., Giarmu K., Ott H.R., Vietkine A., Revcolevschi A. Thermal conductivity and specific heat of the linear chain cuprate Sr2Cu03: Evidence for thermal transport via spinons// Phys. Rev. B, 2000, v.62, pp.R6108-R6111.

30. Haldane F.D.M. Nonlinear Field Theory of Large-Spin Heisenberg Antiferromagnets: Semiclassically Quantized Solitons of the One-Dimensional Easy-Axis Neel State// Phys. Rev. Lett., 1983, v.50, pp.1153-1156.

31. Haldane F.D.M. 0(3) Nonlinear sigma Model and the Topological Distinction between Integer- and Half-Integer-Spin Antiferromagnets in Two Dimensions. Phys. Rev. Lett., 1988, v.61, pp. 1029-1032.

32. Botet R., Jullien R., and Kolb M. Finite-size-scaling study of the spin-1 Heisenberg-Ising chain with uniaxial anisotropy// Phys. Rev. B, 1983, v.28, pp.3914-3921.

33. Botet R. and Jullien R. Ground-state properties of a spin-1 antiferromagnetic chain// Phys. Rev. B, 1983, v.27, pp.613-615.

34. Affleck I., Kennedy Т., Lieb E.H., and Tasaki H. Rigorous results on valence-bond ground states in antiferromagnets// Phys. Rev. Lett., 1987, v.59, pp.799-802.

35. Korenblit I.Ya. and Shender E.F. Diluted quasi-one-dimensional classical antiferromagnets// Phys. Rev. B, 1993, v.48, pp.9478-9486.

36. Meisel M.W. End-Chain Spin Effects in Haldane Gap Materials// Invited paper at the 10th Czech and Slovak Conference on Magnetism, Kosice, Slovakia, 24-27 August 1998. Cond-mat/9809077, 1998.

37. Buyers W.J.L., Morra R.M., Armstrong R.L., Hogan M.J., Gerlach P., and Hirakawa K. Experimental evidence for the Haldane gap in a spin-1 nearly isotropic, antiferromagnetic chain// Phys. Rev. Lett; 1986, v.56, pp.371-374.

38. Brunei L.C., Brill Т., Zaliznyak I., Boucher J.P., and Renard J.P. Magnon spin resonance in the Haldane spin chains of ЩСгНв^ЖЬСЮ^/ Phys. Rev. Lett., 1992, v.69, pp.l699-1702.

39. Ramirez A.P., Cheong S.-W., and Kaplan M.L. Specific heat of defects in Haldane systems Y2BaNi05 and NENP: Absence of free spin-1/2 excitations// Phys. Rev. Lett., 1994, v.72, pp.3108-3111.

40. Sieling M., Low U., Wolf В., Schmidt S., Zvyagin S., and Luthi B. High magnetic-field ESR in the Haldane spin chains NENP and NINO// Phys. Rev. B, 2000, v.61, pp.88-91.

41. Darriet J. and Regnault L.P. The compound Y2BaNi05: a new example of a Haldane gap in a S = 1 magnetic chain// Solid State Comm., 1993, v.86, pp.409412.

42. Hallberg K., Batista C.D., and Aligia A.A. Specific heat of defects in S =1 system Y2BaNi05// Physica B, 1997, v.259-261, pp.1017-1018.

43. Yokoo Т., Sakaguchi Т., Kakurai K., and Akimitsu J. Observation of the Haldane Gap in Y2BaNi05 Single Crystal// Jour. Phys. Soc. Japan, 1995, v.64, pp.3651-3655.

44. Sakaguchi Т., Kakurai K., Yokoo Т., and Akimitsu J. Neutron Scattering Study of Magnetic Excitations in the Spin 5=1 One-Dimensional Heisenberg Antiferromagnet Y2BaNi05// Jour. Phys. Soc. Japan, 1996, v.65, pp.3025-3031.

45. Shastry B.S. and Sutherland B. Excitation Spectrum of a Dimerized Next-Neighbor Antiferromagnetic Chain// Phys. Rev. Lett., 1981, v.47, pp.964-967.

46. Haldane F.D.M. Spontaneous dimerization in the 5=1/2 Heisenberg antiferromagnetic chain with competing interactions// Phys. Rev. B, 1982, v.25, pp.4925-4928.

47. Bonner J.C., Friedberg S.A., Kobayashi H., Meier D.L., and Blote H.W.J. Alternating linear-chain antiferromagnetism in copper nitrate Cu(N03)2x2.5 H20// Phys. Rev. B, 1983, v.:27, pp.248-260.

48. White S.R., Affleck I. Dimerization and iuwomrncncurate spiral spin correlations in the zigzag spin chain: Analogies to the Kondo lattice// Phys. Rev. B, 1996, v.54, pp.9862-9869.

49. Nakamura Т., Takada S., Okamoto K., Kurosawa N. Haldan and dimer gap in general double spin-chains models// Cond-mat/9702182, 1997.

50. Barnes Т., Dagotto E., Riera J., and Swanson E.S. Excitation spectrum of Heisenberg spin ladders// Phys. Rev. B, 1993, v.47, pp.3196-3203.

51. Troyer M., Tsunetsugu H., and Wtirtz D. Thermodynamics and spin gap of the Heisenberg ladder calculated by the look-ahead Lanczos algorithm// Phys. Rev. B, 1994, v.50, pp.13515-13527.

52. Normand В., Репс К., Albrecht M., and Mila F. Phase diagram of the S= 1/2 frustrated coupled ladder system// Phys. Rev. B, 1997, v.56, pp.R5736-R5739.

53. Garrett A.W., Nagler S.E., Tennant D.A., Sales B.C., and Barnes T. Magnetic Excitations in the S = 1/2 Alternating Chain Compound (VO)2P207// Phys. Rev. Lett., 1997, v.79, pp.745-748.

54. Barnes T. and Riera J. Susceptibility and excitation spectrum of (V0)2P207 in ladder and dimer-chain models// Phys. Rev. B, 1994, v.50, pp.6817-6822.

55. Johnston D.C., Johnson J.W., Goshorn D.P., and Jacobson A.J. Magnetic susceptibility of (V0)2P207: A one-dimensional spin-7/2 Heisenberg antiferromagnet with a ladder spin configuration and a singlet ground state// Phys. Rev. B, 1987, v.35, pp.219-222.

56. Prokofiev A.V., Buellesfeld F., Assmus W., Schwenk H., Wichert D., Low U., and Luetni B. Magnetic properties of the low dimensional spin system (V0)2P207: ESR and susceptibility// Eur. Phys. Jour. B, 1998, v.5, pp.313-316.

57. Normand B. and Rice T.M. Electronic and magnetic structure of LaCu025// Phys. Rev. B, 1996, v.54, pp.7180-7188.

58. Azuma M, Hiroi Z, Takano M, Ishida K, and Kitaoka Y. Observation of a Spin Gap in ЗгСигОз Comprising Spin-1/2 Quasi-ID Two-Leg Ladders// Phys. Rev. Lett, 1994, v.73, pp.3463-3466.

59. Sandvik A.W, Dagotto E, and Scalapino D.J. Spin dynamics of SrCu203 and the Heisenberg ladder// Phys. Rev. B, 1996, v.53, pp.R2934-R2937.

60. Ammerahl U. Thermodynamik der Spin-Ketten und Spin-Leitern in (Sr,Ca,La)14Cu2404i: Ph. D. thesis. University of Koeln, Koeln, 2000.

61. Matsuda M, Katsumata K, Eisaki H, Motoyama N, Uchida S, Shapiro S. M, and Shirane G. Magnetic excitations from the singlet ground state in the S= 1/2 quasi-one-dimensional system Sru^Y^C^^i// Phys. Rev. B, 1996, v.54, pp. 12199-12206.

62. Matsuda M. and Katsumata K. Observation of a dimerized state in the S= 1/2 quasi-one-dimensional antiferromagnet Sri4Cu2404i// Phys. Rev. B, 1996, v.53, pp.12201-12205.

63. McElfresh M.W, Coey J.M.D, Strobel P, and von Molnar S. Electronic properties of Sr14Cu2404i// Phys. Rev. B, 1989, v.40, pp.825-828.

64. Ammerahl U, Btichner B, Colonescu L, Gross R, and Revcolevschi A. Interplay between magnetism, charge localization, and structure in Sr14xCaxCu2404i// Phys. Rev. B, 2000, v.62, pp.8630-8633.

65. Hess C, Baumann C, Ammerahl U, Btichner B, Heidrich-Meisner F, Brenig W, and Revcolevschi A. Magnon heat transport in (Sr,Ca,La)i4Cu2404i// Phys. Rev. B, 2001, v.64, pp.1843054-184305-6.

66. Sologubenko A.V, Gianno K, Ott H.R, Ammerahl U, and Revcolevschi A. Thermal Conductivity of the Hole-Doped Spin Ladder System SrH-xCa^Q^O^// Phys. Rev. Lett, 2000, v.84, pp.2714-2717.

67. Carter S.A, Batlogg B, Cava K.J, Krajewski J.J, Peck W F Jr. and Rice T.M. Hole Doping of the Cu02 Chains in (La,Sr,Ca)i4Cu2404i// Phys. Rev. Lett, 1996, v.77, pp.1378-1381.

68. Motoyama N., Osafune Т., Kakeshita Т., Eisaki H., and Uchida S. Effect of Ca substitution and pressure on the transport and magnetic properties of Sr14Cu2404i with doped two-leg Cu-0 ladders// Phys. Rev. B, 1997, v.55, pp.R3386-R3389.

69. Zhang F.C. and Rice T.M. Effective Hamiltonian for the superconducting Cu oxides// Phys. Rev. B, 1988, v.37, pp.3759-3761.

70. Cox D.E., Iglesias Т., Hirota K., Shirane G., Matsuda M., Motoyama N., Eisaki H., and Uchida S. Low-temperature charge ordering in Sri4Cu2404i// Phys. Rev. B, 1998, v.57, pp.10750-10754.

71. Hiroi Z., Amelinckx S., van Tendeloo G., and Kobayashi N. Microscopic origin of dimerization in the Cu02 chains in Sri4Cu2404i// Phys. Rev. B, 1996, v.54, pp.15849-15855.

72. Ando Y., Takeya J., Sisson D.L., Doettinger S.G., Tanaka I., Feigelson R.S., Kapitulnik A. Thermal conductivity of the spin-Peierls compound CuGe03// Phys. Rev. B, 1998, v.58, pp.R2913-R2916.

73. Vasil'ev A.N., Pryadun V.V., Khomskii D.I., Dhalenne G., Revcolevschi A., Isobe M., Ueda Y. Anomalouse thermal conductivity of NaV205 as compared to conventional spin-Peierls system CuGe03// Phys. Rev. Lett., 1998, v.81, pp. 19491952.

74. Hofmann M., Lorenz Т., Uhrig G.S., Kierspel H., Zabara O., Freimuth A., Kageyama H., Ueda Y. Strong damping of phononic heat current by magnetic excitation in SrCu2(B03)2// Phys. Pvev. Lett., 2001. v.87, p.047202.

75. P. Берман. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1979.

76. М. Hofmann. Thermal conductivity of low-dimensional magnetic systems: Ph.D. thesis. University of Koeln, Koeln, 2002.

77. G.K. White. Thermal conductivity/ Bd. by R.P. Tyc. London- Academic Press, 1969, v.l, chap. 2.

78. С.И. Новикова. Тепловое расширение твердых тел. М.: Наука, 1974.

79. И.М. Лившиц. Тепловые свойства линейных и слоистых структур при низких температурах// ЖЭТФ, 1952, т.22, с.474-486.

80. White G.K. Measurement of thermal expansion at low temperatures// Cryogenics, 1961, v.l, pp.151-158.

81. Brandli G., Griessen R. Two capacitance dilatometers// Cryogenics, 1973, v.13, pp.299-302.

82. Carr R.H., McCammon R.D., White G.K. The thermal expansion of copper at low temperatures// Proc. Roy. Soc., 1963, Ser.A, v.280, pp.72-88.

83. Pott R., Schefzyk R. Apparatus for measuring the thermal expansion of solids between 1.5 and 380 К// J. Phys. E, 1983, v. 16, pp.444-449.

84. Barron T.H.K., Collins J.G., White G.K. Thermal expansion of solids at low temperatures// Adv. Phys., 1980, v.29, pp.609-730.

85. Kroeger F.R., Swensov C.A. Absolute linear thermal-expansion measurements on copper and aluminum from 5 to 320 K// Jour, of Appl. Phys., 1977, v.48, pp.853-860.

86. Rotter M., Miiller H., Gratz E., Doerr M., Loewenhaupt M. A miniature capacitance dilatometer for thermal expansion and magnetostriction// Rev. of Scien. Inst., 1988, v.69, pp.2742-2746.

87. Isobe M., Ueda Y. Magnetic susceptibility of quasi-one-dimensional compound <^'-NaV205 possible spin-Peierls compound with high critical temperature of 34 К// Jour, of the Phys. Soc. Japan, 1996, v.65, pp.1178-1181.

88. Ohama Т., Yasuoka H., Isobe M., Ueda Y. Mixed valency and charge ordering in tf '-NaV205// Phys. Rev. B, 1999, v.59, pp.3299-3302.

89. Fujii Y., Nakao H., Yoshihama Т., Nishi M., Nakajima K., Kaknrai K., Isobe Y.U.M., Sawa H., Ueda Y. New inorganic spin-Peierls compound NaV205 evidenced by X-ray and neutron scattering// Jour, of the Phys. Soc. Japan, 1997, v.66, pp.326-329.

90. Von Schnering H.-G., Grin Y.U., Kaupp M., Samer м., Кгешсг R.K., Jepsen О., Chatterji Т., Weiden M. Redetermination of the crystal structure of sodium vanadate, a '-NaV205// Z. Kristallogr., 1998, v.213, p.246.

91. Cuoco M., Horsch P., and Mack F. Theoretical study of the optical conductivity of a '-NaV205// Phys. Rev. B, 1999, v.60, pp.R8438-R8441.

92. Mostovoy M.V. and Khomskii D.I. Charge ordering and opening of spin gap in NaV205// Solid State Comm., 2000, v.l 13, pp. 159-163.

93. Bernert A., Thalmeier P., Fulde P. A microscopic model for the structural transition and spin gap formation in a '-NaV205// Cond-mat/0108008, 2001.

94. Van Smaalen S., Daniels P., Palatinus L., Kremer R.K. Orthorhombic versus monoclinic symmetry of the charge-ordered state of NaV2Os// Cond-mat/0108067, 2001.

95. Sawa H., Ninomiya E., Ohama Т., Nakao H., Ohwada K., Murakami Y., Fujii Y., Noda Y., Isobe M., Ueda Y. Low-temperature structure of the quarter-filled ladder compound a '-NaV205// Cond-mat/0109164, 2001.

96. Koeppen M., Pankert D., Hauptmann R., Lang M., Weiden M., Steglich F. Interference of a first-order transition with the formation of a spin-Peierls state in a '-NaV205// Phys. Rev. B, 1998, v.57, pp.8466-8470.

97. Schwenk H., Zherlitsyn S., Liiethi В., Morre E., Geibel C. Elastic constants and charge ordering in tf'-NaV205// Phys. Rev. B, 1999, v.60, pp.9194-9197.

98. Hemberger J., Lohmann M., Nicklas M., Loidl A., Kemm M., ObermeierG., Horn S. Thermodynamic, transport and magnetic properties of a NaV205// Europhys. Lett., 1998, v.42, pp.661-666.

99. Powell D.K., Brill J.W., Zeng Z, Greenblatt M. Specific heat of tf '-NaV205 at its spin-Peierls transition// Phys. Rev. B, 1998, v.58, pp.R2937-R2940.

100. Schnelle W., Grin Yu. and Kremer R.K. Specific heat of a'-NaV205 in magnetic fields up to 16 T// Phys. Rev. B, 1999, v.59, pp.73-76.

101. Smirnov A.I., Sosin S.S., Calemczuk R., Villar V., Paulsen C., Isobe M., Ueda Y. Investigation of thermal and magnetic properties of defects in a spin-gap compound NaV205// Cond-matt/0003169, 2000.

102. Nagaoka Y. Ferromagnetism in a narrow, almost half-filled л band// Phys. Rev., 1966, v.147, pp.392-405.

103. Smolinski H., Gros С., Weber W., Peuchert U., Roth G., Weiden M., Geibel C. Phys. NaV205 as a quarter-filled ladder compound// Rev. Lett., 1998, v.80, pp.5164-5167.

104. Ravy S., Jegoudez J., Revcolevschi A. X-ray investigation of the magnetoelastic instability of tf'-NaV205// Phys. Rev. B, 1999, v.59, pp.R681-R684.

105. Johnston D.C., Kremer R.K., Troyer M., Wang X., Kliimper A., Bud'ko S.L., Panchula A.F., Canfleld P.C. Thermodynamics of spin 5=1/2 antiferromagnetic uniform and alternating-exchange Heisenberg chains// Phys. Rev. B, 2000, v.61, pp.9558-9606.

106. Deramon E., Savariault J.-M., Galy J. Silver insertion mode in (3-AgxV205 tunnel structure// Acta Crystallogr., 1994, v.C50, pp. 164-166.

107. Wadsley A.D. The crystal structure of Na2.xV60i6// J- Appl.Crystallogr., 1955, v.8,p.695.

108. Maruyama K., Nagasava H. NMR studies of quasi-one-dimensional conductor. P-Na0.33V2O5//Jour, of Phys. Soc. Japan, 1980, v.48, p.2159.

109. Itoh M., Akimoto N., Yamada H., Isobe M., Ueda Y. Charge ordering in NaV6Oi5 : 5IV NMR in a single crystal// Physica C, 2000, v.341-348, pp.21332134.

110. Yamauchi T. Private comm., 2002.

111. Vasil'ev A.N., Marchenko V.I., Smirnov A.I., Sosin S.S. Magnetic ordering in the mixed-valence compound /ЯЧа0.ззУ2О5// Phys. Rev. B, 2001, v 64. pp. 174403-1-174403-5.

112. Shastry B.S., Sutherland B. Excitation spectrum of a dimerized next-neighbor antiferromagnetic chain// Phys. Rev. Lett., 1981, v.47, pp.964-967.

113. Miyahara S. and Ueda K. Exact Dimer Ground State of the Two Dimensional Heisenberg Spin System SrCu2(B03)2// Phys. Rev. Lett., 1999, v.82, pp.3701-3704.

114. Kageyama H., Onizuka K., Yamauchi Т., Ueda Y., Hane S., Mitamura H., Goto Т., Yoshimura K., Kosuge K.K. Anomalouse Magnetizations in Single Crystalline SrCu2(B03)2// Jour, of Phys. Soc. Japan, 1999, v.68, pp.1821-1823.

115. Kageyama H., Onizuka K., Yamauchi Т., Ueda Y. Crystal growth of the two-dimensional spin gap system SrCu2(B03)2// J. Cryst. Growth, 1999, v.206, pp.65-67.

116. Kageyama H., Onizuka K., Ueda Y., Nohara M., Suzuki H., and Takagi H. Low-Temperature Specific Heat Study of SrCu2(B03)2 with an Exactly Solvable Ground State// JETP, 2000, v.90, pp. 129-132.

117. Zherlitsyn S., Schmidt S., Wolf В., Schwenk H., Liithi В., Kageyama H., Onizuka K., Ueda Y., Ueda K. Sound-wave anomalies in SrCu2(B03)2// Phys. Rev. B, 2000, v.62, pp.R6097-R6099.

118. Kawasaki K. On the behaviour of the thermal conductivity near the magnetic transition point// Prog. Theor. Phys., 1963, v.29, pp.801-816.

119. Stem K. Thermal conductivity at the magnetic transition// J. Phys. Chem. Solids, 1965, v.26, pp.153-162.

120. Hofmann M., Lorentz Т., Freimuth A., Uhrig G.S., Kageuama H., Ueda Y., Dhallene G., Revcolevchi A. Heat transport in SrCu2(B03)2 and CuGe03// Physica B, 2002, v.312-313, pp.59/-599.

121. Hase M., Terasaki I., Uchinokura K. Observation of the spin-Peierlsл itransition in linear Cu (spin-1/2) chains in an inorganic compound CuGe03// Phys. Rev. Lett., 1993, v.70, pp.3651-3654.

122. Ногу Н., Furusawa М., Takeuchi Т., Sugai S., Kindo К., Yamagushi A. Magnetic measurements of CuGe03 by means of high magnetic field// Jour, of Phys. Soc. Japan, 1994, v.63, pp. 18-21.

123. Hase M., Terasaki I., Uchinokura K., Tokunaga M., Miura N., and Obara H. Magnetic phase diagram of the spin-Peierls cuprate CuGe03// Phys. Rev. B, 1993, v.48, pp.9616-9619.

124. Lorenz Т., Ammerahl U., Ziemes R., Buchner В., Revcolevschi A., Dhallen G. Thermodynamic properties of the incommensurate phase of CuGe03// Phys. Rev. B, 1996, v.55, pp.R15610-R15613.

125. Winkelmann H., Gamper E., Buchner В., Braden M., Revcolevschi A., and Dhalenne G. Giant anomalies of the thermal expansion at phase transition in CuGe03// Phys. Rev. B, 1995, v.51, pp.12884-12887.

126. Takehana K., Oshikiri M., Kido G., Hase M., Uchinokura K. Magnetostriction and thermal expansion measurements of CuGe03// Jour, of Phys. Soc. Japan, 1996, v.65, pp.2783-2785.

127. Mostovoy M., Khomskii D., and Knoester J. Phase diagram of disordered spin-Peierls systems// Phys. Rev. B, 1998, v.58, pp.8190-8193.

128. Sasago Y., KoiHe N. Uchinokura K., Martin M.C., Hase M., Hirota K., and Shirane G. New phase diagram of Zn-doped CuGe03// Phys. Rev. B, 1996, v.54, pp.R6835-R6837.

129. Manabe K., Ishimoto H., Koide N., Sasago Y., Uchinokura K. Antiterromagnetic iong-rangc uiucl in Cu^Zr^GsOj with extremely bw Zn concentration// Phys. Rev. B, 1998, v.58, pp.R575-R578.

130. Grenier В., Renard J.-P., Veillet P., Paulsen C., Calemczuk R., Dhalenne G., and Revcolevschi A. Magnetic susceptibility and phase diagram of CuGei^Si.^Ch single crystals// Phys. Rev. B, 1998, v.57, pp.3444-3453.

131. Anderson P.E, Liu J.Z, Shelton R.N. Magnetic anisotropy of the nickel-doped spin-Peierls cuprate CuGe03// Phys. Rev. B, 1998, v.51, pp.11492- 11496.

132. Masuda T, Fujioka A, Uchiyama Y, Tsukada I, Uchinokura K. Phase Transition between Dimerized-Antiferromagnetic and Uniform-Antiferromagnetic Phases in the Impurity-Doped Spin-Peierls Cuprate CuGeO^H Phys. Rev. Lett, 1997, v.80, pp.4566-4569.

133. Anderson P.E, Liu J.Z, Shelton R.N. Effect of cobalt doping on the magnetic properties of the spin-Peierls cuprate CuGe03// Phys. Rev. B, 1997, v.56, pp.11014-11021.

134. Булаевский Jl.H, Зварыкина A.B, Каримов Ю.С, Любовский P.B, Щеголев И.Ф. Магнитные свойства линейных проводящих цепочек// ЖЭТФ, 1972, т.35, с.725-736.

135. В заключение мне бы хотелось обратиться со словами благодарности к моему научному руководителю, Александру Николаевичу Васильеву, без которого эта работа не состоялась бы, за внимание и помощь в подготовке.

136. Также я хочу поблагодарить моих оппонентов, Рудольфа Зиновьевича Левитина и Владимира Григорьевича Шаврова, взявших на себя труд прочесть эту работу и высказать свои замечания.

137. Мне бы хотелось сказать большое спасибо всем сотрудникам кафедры физики низких температур за их внимание к моей работе и доброе отношение.