Classical Heisenberg antiferromagnet on a garnet lattice: a Monte Carlo simulation

We have studied a classical antiferromagnet on a garnet lattice by means of Monte Carlo simulations in an attempt to examine the role of geometrical frustration in Gadolinium Gallium Garnet, Gd3Ga5O12 (GGG). Low-temperature specific heat, magnetisation, susceptibility, the autocorrelation function A(t) and the neutron scattering function S(Q) have been calculated for several models including different types of magnetic interactions and with the presence of an external magnetic field applied along the principal symmetry axes. A model, which includes only nearest-neighbour exchange, J1, neither orders down to the lowest temperature nor does it show any tendency towards forming a short-range coplanar spin structure. This model, however, does demonstrate a magnetic field induced ordering below T ~ 0.01 J1. In order to reproduce the experimentally observed properties of GGG, the simulated model must include nearest neighbour exchange interactions and also dipolar forces. The presence of weak next-to-nearest exchange interactions is found to be insignificant. In zero field S(Q) exhibits diffuse magnetic scattering around positions in reciprocal space where antiferromagnetic Bragg peaks appear in an applied magnetic field.Comment: 8 pages, 8 figures, to appear in PRB (JAN 2001

Triangular Antiferromagnets

In this article we review the effects of magnetic frustation in the stacked triangular lattice. Frustration increases the degeneracy of the ground state, giving rise to different physics. In particular it leads to unique phase diagrams with multicritical points and novel critical phenomena. We describe the confrontation of theory and experiment for a number of systems with differing magnetic Hamiltonians; Heisenberg, Heisenberg with easy-axis anisotropy, Heisenberg with easy-plane anisotropy, Ising and singlet ground state. Interestingly each leads to different magnetic properties and phase diagrams. We also describe the effects of ferromagnetic, rather than antiferromagnetic, stacking and of small distortions of the triangular lattice.Comment: Review article, 36 pages, revtex, 19 figures in PS format, to appear in Can. J. Phy

Magnetic properties of geometrically frustrated SrGd2O4

A study of the magnetic properties of the frustrated rare earth oxide SrGd2O4 has been completed using bulk property measurements of magnetization, susceptibility and specific heat on single crystal samples. Two zero-field phase transitions have been identified at 2.73 and 0.48 K. For the field, H, applied along the a and b axes, a single boundary is identified that delineates the transition from a low field, low temperature magnetically ordered regime to a high field, high temperature paramagnetic phase. Several field-induced transitions, however, have been observed with H || c. The measurements have been used to map out the magnetic phase diagram of SrGd2O4, suggesting that it is a complex system with several competing magnetic interactions. The low-temperature magnetic behavior of SrGd2O4 is very different compared to the other SrLn2O4 (Ln = Lanthanide) compounds, even though all of the SrLn2O4 compounds are isostructural, with the magnetic ions forming a low-dimensional lattice of zigzag chains that run along the c axis. The differences are likely to be due to the fact that in the ground state Gd3+ has zero orbital angular momentum and therefore the spin-orbit interactions, which are crucial for other SrLn2O4 compounds, can largely be neglected. Instead, given the relatively short Gd3+-Gd3+ distances in SrGd2O4, dipolar interactions must be taken into account for this antiferromagnet alongside the Heisenberg exchange terms.Comment: 10 pages, 9 figure

Controlling stress state of a hoisting shaft frame in the context of specific freezing process

Purpose is to obtain regularities of a stress state of such multilayer system as neighbourhood rock mass – frozen soil – hoisting shaft frame in the process of numerical analysis to control a frame state with the selection of efficient parameters; thickness depending upon a specific frozen process specifically. Methods. Numerical analysis on the basis of a finite-element method has been implemented relying upon Pro Complex Structure CAD for Windows (SCAD) which made it possible to obtain stress state of a hoisting shaft frame and its interaction with ice-soil blocking as well as with neighbourhood rock mass soil. Findings. Hoisting shaft model has been developed. The model is based upon actual geometry and results of laboratory studies. Three blocking types (i.e. reinforced-concrete blocks, gray cast-iron tubbings, and modified gray cast-iron tubbings) and two soil types (i.e. sand and clayish soil at +8°С temperature) in terms of different freezing temperatures (i.e. (–2, –6 and –10°С) were analyzed numerically with the use of the SCAD. Results of the research have helped identify dependences concerning formation of a stress state of the multilayer neighbourhood rock mass – frozen soil – hoisting shaft frame system while varying properties of the listed types of a frame, neighbourhood rock mass, and ice-soil blocking. Regularities of the stressed state components deepening upon the frozen soil elasticity modulus, corresponding to its certain temperature, and elasticity modulus of a hoisting shaft frame have been obtained. The regularities connect changes in the stress of a hoisting shaft blocking in the context of specific freezing process. Originality. The obtained dependences of the stressed state of a hoisting shaft frame on the soil elasticity modulus and the material are composite spatial surfaces reflecting representatively the stressed state of such multilayer systems as neighbourhood rock mass – frozen soil – hoisting shaft frame. Practical implications. The regularities of the stressed state, determined for such multilayer systems as neighbourhood rock mass – frozen soil – hoisting shaft frame, make it possible to control stress components selecting rational geometry of a frame and its material or temperature cycle to freeze soils while applying the specific method.Мета. Отримання в ході чисельного аналізу закономірностей зміни напруженого стану багатошарової системи “ґрунт оточуючого масиву – заморожений ґрунт – оправа шахтного стовбуру” для управління напруженим станом оправи із підбором ефективних параметрів (наприклад, товщини) в залежності від параметрів спеціального способу заморожування. Методика. Застосовано чисельний аналіз на основі методу скінченних елементів, реалізований на базі професійного комплексу Structure CAD for Windows (SCAD), що дозволив отримати напружений стан оправи шахтного стовбуру із його взаємодією із льодоґрунтовим огородженням та ґрунтом оточуючого масиву. Результати. Створено модель шахтного стовбура, що побудована на основі реальних геометричних розмірів і результатів лабораторних досліджень. В ході чисельного аналізу із застосуванням SCAD досліджено три типи оправи (залізобетонні блоки, тюбінги з сірого чавуну та тюбінги з модифікованого сірого чавуну), два типи ґрунтів (пісок та суглинок при температурі +8°С) при різних температурах заморожування (–2, –6 і –10°С). Результати досліджень дозволили відшукати залежності формування напруженого стану багатошарової системи “ґрунт оточуючого масиву – заморожений ґрунт – оправа шахтного стовбуру” при варіації властивостей вказаних типів оправи, ґрунту оточуючого масиву та льодоґрунтового огородження. Отримано закономірності компонент напруженого стану від модуля пружності замороженого ґрунту, що відповідає певній його температурі, та модуля пружності оправи шахтного стовбуру. Дані закономірності пов’язують зміну напружень оправи шахтного стовбуру при спеціальному способі заморожування. Наукова новизна. Отримані залежності компонент напруженого стану оправи шахтного стовбуру від модулю пружності ґрунту та матеріалу є складними просторовими поверхнями, що репрезентативно відображають напружений стан багатошарової системи “ґрунт оточуючого масиву – заморожений ґрунт – оправа шахтного стовбуру”. Практична значимість. Закономірності напруженого стану, визначені для багатошарової системи “ґрунт оточуючого масиву – заморожений ґрунт – оправа шахтного стовбуру”, дозволяють управляти компонентами напружень, підбираючи раціональні геометричних параметри та матеріал оправи, або температуру циклу заморожування ґрунтів при застосуванні цього спеціального способу.Цель. Получение в ходе численного анализа закономерностей изменения напряженного состояния многослойной системы “ґрунт окружающего массива – замороженный грунт – оправа шахтного ствола” для управления напряженным состоянием оправы с подбором эффективных параметров (например, толщины) в зависимости от параметров специального способа замораживания. Методика. Применен численный анализ на основе метода конечных элементов, реализованный на базе про-профессионального комплекса Structure CAD for Windows (SCAD), позволивший получить напряженное состояние оправы шахтного ствола с его взаимодействием с льодоґрунтовым ограждением и грунтом окружающего массива. Результаты. Создана модель шахтного ствола, построенная на основе реальных геометрических размеров и результатов лабораторных исследований. В ходе численного анализа с применением SCAD исследованы три типа оправы (железобетонные блоки, тюбинги из серого чугуна и тюбинги из модифицированного серого чугуна), два типа грунтов (песок и суглинок при температуре +8°С) при различных температурах замораживания (–2, –6 и –10°С). Результаты исследований позволили отыскать зависимости формирования напряженного состояния многослойной системы “грунт окружающего массива – замороженный грунт – оправа шахтного ствола” при вариации свойств указанных типов оправы, грунта окружающей массива и льодоґрунтового ограждения. Получены закономерности компонент напряженного состояния от модуля упругости замороженного грунта, что соответствует определенной его температуре, и модуля упругости оправы шахтного ствола. Данные закономерности связывают изменение напряжений оправы шахтного ствола при специальном способе замораживания. Научная новизна. Полученные зависимости компонент напряженного состояния оправы шахтного ствола от модуля упругости грунта и материала являются сложными пространственными поверхностями, репрезентативно отражающие напряженное состояние многослойной системы “грунт окружающей массива – замороженный грунт – оправа шахтного ствола”. Практическая значимость. Закономерности напряженного состояния, определенные для многослойной системы “грунт окружающей массива – замороженный грунт – оправа шахтного ствола”, позволяют управлять компонентами напряжений, подбирая рациональные геометрические параметры и материал оправы, или температуру цикла замораживания грунтов при применении этого специального способа.The results of the study were obtained in the process of implementing the state-financed research Analytical regularities of a stress-strain state of frame of hoisting shafts while specific operation performing (official registration No. 0117U006810). The authors express thanks to S.M. Likhman, Chief Engineer of Kyivmetrobud PJSC, and M.V. Bilous, Candidate of Science and Director of a Ukrheodezmark being a subsidiary company of Kyivmetrobud PJSC for their counseling as for the specific method of soil freezing and selection of rational designs of a hoisting shaft

Overview of technologies for constructing the facilities at the Dniester pumped storage power station

Purpose. Perform an overview of the construction technologies and substantiate the effectiveness of the Ukrainian experience in building a pumped storage power station (PSPS) on the Dniester River in difficult engineering-geological conditions with the construction of large underground structures, including mine shafts and hydraulic engineering tunnels. Methods. In the work, the main technological methods have been studied and analysed of hydraulic engineering construction of complex large underground structures in the rocks with medium hardness according to M.M. Protodiakonov scale using a special method of a well lowering and a combined method of drilling and blasting operations during mine workings drivage, which is based on the slow and short-delay blasting. The anchors calculation, when driving the water sup-ply conduits, has been made from the condition of suspending the block of disturbed rock, the thickness of which was taken equal to the roof arch height according to M.M. Protodiakonov. The parameters of the sprayed plaster base concrete have also been calculated according to V.M. Mostkov theory. Findings. The analysis of the current state of research, theoretical positions and world practice of construction of PSPS has been made, which testifies the high potential of this type of energy facilities. The efficiency of the underground hydraulic engineering construction of the Dniester Station has been substantiated. The results are presented of a complex application of mining and construction methods, as well as processing equipment for the construction of horizontal and tailrace conduits, drainage adits and vertical mines for hydraulic units in difficult engineering and geological conditions. As a result of performed analytical studies, the combined method of constructing the anchor support of sprayed plaster base concrete, when driving the water supply conduits, which is the most rational for engineering and geological conditions of increased complexity, has been substantiated. Originality. The efficiency of the lowering well method in a thixotropic jacket when constructing in the soft soils has been determined under the conditions of building a PSPS on the Dniester River. The step-by-step combined method of constructing the anchor support of sprayed plaster base concrete, when driving the water supply conduits has been substantiated. Practical implications. The most rational ways of conducting a range of mining-construction works have been substantiated and implemented, allowing to construct a complex pumped storage facility with a capacity of over 2.0 million kilowatts, ensuring a significant increase in the power supply capacity of the West Ukraine region.Мета. Виконати огляд технологій спорудження й виявити ефективність українського досвіду будівництва гідроакумулюючої електростанції на р. Дністер у складних інженерно-геологічних умовах зі зведенням великих підземних об’єктів, включаючи шахтні стовбури та гідротехнічні тунелі. Методика. В роботі розглянуті та проаналізовані основні технологічні способи гідротехнічного будівництва складних великих підземних споруд у скальних породах середньої міцності за шкалою М.М. Протод’яконова із застосуванням спеціального способу опускного колодязя й комбінованого способу ведення буропідривних робіт при проходці гірничих виробок на основі уповільненого і короткоуповільненого підривання. Розрахунок анкерів при проходці водоводів виконувався з умови підвішування блоку порушеної породи, товщина якого приймалася рівною висоті склепіння обвалення за М.М. Протод’яконовим. Розрахунок параметрів набризгбетону проводився також за теорією В.М. Мосткова. Результати. Виконано аналіз сучасного стану досліджень, теоретичних положень і світової практики будівництва гідроакумулюючих станцій, що свідчить про високий потенціал даного виду енергетичних об’єктів. Обґрунтовано ефективність підземного гідротехнічного будівництва Дністровської станції. Представлені результати застосування комплексу гірничопрохідницьких і будівельних методів та технологічного обладнання для спорудження горизонтальних і відвідних водоводів, дренажних штолень та вертикальних шахт для гідроагрегатів у складних інженерно-геологічних умовах. В результаті виконаних аналітичних досліджень обґрунтова- ний комбінований метод створення анкерного набризгбетонного кріплення при проходці водоводів, що є най- більш раціональним для інженерно-геологічних умов підвищеної складності. Наукова новизна. Для умов будівництва гідроакумулюючої електростанції на р. Дністер визначено ефективність методу опускного колодязя в тиксотропної сорочці при будівництві в слабких ґрунтах. Обґрунтовано поетапний комбінований метод створення анкерного й набризгбетонного кріплення при проходці водоводів. Практична значимість. Обґрунтовано й впроваджено найбільш раціональні способи ведення комплексу гірничобудівельних робіт, що дозволяють здійснювати будівництво складного гідроакумулюючого об’єкта потужністю понад 2.0 млнкіловат, що забезпечує суттєве підвищення енергоозброєності західного регіону України.Цель. Выполнить обзор технологий сооружения и выявить эффективность украинского опыта строительства гидроаккумулирующей электростанции на р. Днестр в сложных инженерно-геологических условиях с воз- ведением крупных подземных объектов, включая шахтные стволы и гидротехнические тоннели. Методика. В работе рассмотрены и проанализированы основные технологические способы гидротехнического строительства сложных крупных подземных сооружений в скальных породах средней крепости по шкале М.М. Протодьяконова с применением специального способа опускного колодца и комбинированного способа ведения буровзрывных работ при проходке горных выработок на основе замедленного и короткозамедленного взрывания. Расчет анкеров при проходке водоводов выполнялся из условия подвешивания блока нарушенной породы, толщина которого принималась равной высоте свода обрушения по М.М. Протодьяконову. Расчет параметров набрызгбетона производился также по теории В.М. Мосткова. Результаты. Выполнен анализ современного состояния исследований, теоретических положений и мировой практики строительства гидроаккумулирующих станций, свидетельствующий о высоком потенциале данного вида энергетических объектов. Обоснована эффективность подземного гидротехнического строительства Днестровской станции. Представлены результаты применения комплекса горнопроходческих и строительных методов и технологического оборудования для сооружения горизонтальных и отводящих водоводов, дренажных штолен и вертикальных шахт для гидроагрегатов в сложных инженерно-геологических условиях. В результате выполненных аналитических исследований обоснован комбинированный метод создания анкерной набрызгбетонной крепи при проходке водоводов, являющийся наиболее рациональным для инженерно-геологических условий повышенной сложности. Научная новизна. Для условий строительства гидроаккумулирующей электростанции на р. Днестр определена эффективность метода опускного колодца в тиксотропной рубашке при строительстве в слабых грунтах. Обоснован поэтапный комбинированный метод создания анкерной и набрызгбетонной крепей при проходке водоводов. Практическая значимость. Обоснованы и внедрены наиболее рациональные способы ведения комплекса горностроительных работ, позволяющие осуществлять строительство сложного гидроаккумулирующего объекта мощностью более 2.0 млн киловатт и обеспечивающего существенное повышение энерговооруженности западного региона Украины.The authors express their gratitude to Viacheslav Korytskyi, Deputy Chief Engineer of the Tunnel Construction Department No.7, PJSC “Kyivmetrobud”, for advisory support and provided drawings

Evolution of spin correlations in SrDy2O4 in an applied magnetic field

The development of short- and long-range magnetic order induced in a frustrated zig-zag ladder compound SrDy2O4 by an applied field is studied using neutron diffraction techniques. In zero field, SrDy2O4 lacks long-range magnetic order down to temperatures as low as 60 mK, and the observed powder neutron diffraction (PND) patterns are dominated by very broad diffuse scattering peaks. Single crystal neutron diffraction reveals that the zero-field magnetic structure consists of a collection of antiferromagnetic chains running along the c axis and that there is very little correlation between the chains in the ab plane. In an applied magnetic field, the broad diffuse scattering features in PND are gradually replaced by much sharper peaks, however, the pattern remains rather complex, reflecting the highly anisotropic nature of SrDy2O4. Single crystal neutron diffraction shows that a moderate field applied along the b axis induces an up-up-down magnetic order associated with a 1/3-magnetisation plateau, in which magnetic correlation length in the ab plane is significantly increased, but it nevertheless remains finite. The resolution limited k = 0 peaks associated with a ferromagnetic arrangement appear in powder and single crystal neutron diffraction patterns in fields of 2.5 T and above.Comment: 10 pages, 11 figure

Novel magnetic phases in a Gd2Ti2O7 pyrochlore for a field applied along the [100] axis

We report on longitudinal and transverse magnetisation measurements performed on single crystal samples of Gd2Ti2O7 for a magnetic field applied along the [100] direction. The measurements reveal the presence of previously unreported phases in fields below 10 kOe in an addition to the higher-field-induced phases that are also seen for H//[111], [110], and [112]. The proposed H-T phase diagram for the [100] direction looks distinctly different from all the other directions studied previously.Comment: 4 pages, 5 figure