Формирование в системе (Sm$_{1-y}$Gd$_{y}$)$_{0.55}$Sr$_{0.45}$MnO$_{3}$ манганитов фазы бесщелевой $Z_{2}$-спиновой жидкости в нулевом магнитном поле: топологические фазовые переходы в состояния с низкой и высокой плотностью 2D-вихревых пар, индуцированных магнитным полем

Исследована эволюция основного состояния ансамбля спинов марганца в системе (Sm$_{1-y}$Gd$_{y}$)$_{0.55}$Sr$_{0.45}$MnO$_{3}$ при изовалентном замещении редкоземельных ионов самария с большим радиусом на ионы гадолиния со значительно меньшим радиусом. При анализе результатов измерения температурных зависимостей $ac$ магнитной восприимчивости и полевых зависимостей $dc$ намагниченности использовалась модель Гейзенберга–Китаева, описывающая переход от упорядоченного состояния спинов с классическим изотропным АФМ-обменом к фрустрированному состоянию спинов с квантовым сильно анизотропным ФМ-обменом. Установлен непрерывный переход от 3D-ферромагнитного состояния спинов марганца в исходном образце с $y$ = 0 к зигзагообразному АФМ-упорядочения спинов $CE$-типа в $ab$ плоскостях для $y$ = 0.5, сосуществующего в образцах с $y$ = 0.5, 0.6 и 0.7 при температурах ниже $T_{\mathrm{N}}\cong$ 48.5 K с неупорядоченной фазой типа квантовой фазы Гриффитса. При дальнейшем росте концентрации гадолиния происходит плавление зигзагообразной АФМ-структуры $CE$-типа, что приводит к появлению в Gd$_{0.55}$Sr$_{0.45}$MnO$_{3}$ в области температур близкой к абсолютному нулю необычной фазы с характерными признаками бесщелевой $Z_{2}$-квантовой спиновой жидкости в нулевом внешнeм магнитном поле Скачкообразные изменения изотерм намагничивания, измеренных при 4.2 K в интервале полей $\pm$ 75 kOe, объяснены квантовыми фазовыми переходами $Z_{2}$-спиновой жидкости в фазу с топологическим порядком в слабых магнитных полях и поляризованную фазу в сильных полях. Существенная разница критических полей и величины скачков намагниченности в изотермах свидетельствует о существовании гистерезисных явлений в процессах намагничивания-размагничивания квантовой спиновой жидкости, вызванных различием процессов локализации-делокализации 2D-вихревых пар, индуцированных магнитным полем в квантовой спиновой жидкости с беспорядком.