Влияние оптически возбужденных состояний ионов гольмия на магнитный резонанс в иттриевом феррите-гранате тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ЭПР - СПЕКТРОСКОПИЯ ОПТИЧЕСКИ ВОЗБУЖДЁННЫХ СОСТОЯНИЙ АКТИВИРОВАННЫХ ИОННЫХ КРИСТАЛЛОВ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ).

1.1 Метод двойного радио- оптического резонанса

1.1.1 Прямое СВЧ поглощение.II

1.1.2 Оптическое детектирование магнитного резонанса

1.1.2.1 Магнитный резонанс регистрируемый по поглощению

1.1.2.2 Магнитный резонанс регистрируемый по излучению

1.1.2.3 Эффект обменного |Йзаимодействия основное-возбуждённое состояние в паре. Р - центров

1.2 ЭПР возбуждённых состояний ионов переходных металлов

1.1.1 Ионы Зс4 - металлов.

1.2.2 Редкоземельные ионы.

1.3 Влияние сильного лазерного излучения на магнитные свойства в ЕпСгО^.

1.4 Выводы и постановка задачи.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА, ПРИГОТОВЛЕНИЕ

ОБРАЗЦОВ, АНАЛИЗ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ КРИО-СИСТШЫ.

2.1 Оптическая часть

2.2 Спектрометр электронного магнитного резонанса

2.3 Приготовление образцов.

2.4 Анализ теплового состояния криосистемы

2.4.1 Расчёт

2.4.2 Эксперимент.

2.4.3 Результаты и обсуждение.

2.5 Основные результаты.

ПЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ОПТИЧЕСКИ ВОЗБУЖДЁННЫХ СОСТОЯНИЙ ИОНОВ ГОЛЬМИЯ НА МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС В ИТТРИЕВОМ ФЕРРИТЕ-ГРАНАТЕ.

3.1 Магнитные, резонансные и оптические свойства кристалла ^зрв5012-! Но3+

3.2 Энергетическая структура ионов гольмия в структуре граната.

3.3 . Влияние импульсного лазерного излучения на магнитный резонанс.

3.4 Влияние непрерывного лазерного излучения на магнитный резонанс

3.4.1 Эксперимент

3.4.2 Расчёт параметров магнитного резонанса в кристалле иттрий-гольмиевого феррита-граната и их изменения при оптическом возбуждении ионов гольмия

3.4.3 Результаты и обсуждение.

3.5 Выводы.

Актуальность темы. Значительные успехи достигнутые в области квантовой электроники поддерживают непрекращающийся интерес к поиску новых материалов, пригодных для использования, а также стимулируют работы на поиск эффектов, перспективных для устройств. На современном этапе развития физики появился интерес к изучению физических систем, находящихся в неравновесных состояниях. В этой связи особое место занимает изучение взаимодействия твёрдых тел с полем электромагнитного излучения, а именно: I) изменение характеристик излучения после взаимодействия с веществом и 2) изменение состояния и параметров вещества в результате воздействия излучения.

Оптический диапазон излучения отличается тем, что в этот диапазон попадают разности энергий, соответствующих различным орбитальным состояниям атомов и ионов. В то же время, магнитные свойства материалов зависят от того, в каком электронном состоянии находятся комплексы или центры, ответственные за магнитные свойства.

Возможность управлять магнитными характеристиками кристал-лав путём воздействия оптического излучения давно привлекает исследователей к этой интересной цроблеме. Однако из-за аппаратурных трудностей и нетривиальности выбора подходящего объекта исследования, проблема ещё не вышла за чисто академические рамки.

В настоящей работе речь пойдёт о влиянии оптически возбуждённых состояний на магнитные свойства в системе локализованных моментов. При этом не будут затрагиваться вопросы, связанные с фотомагнетизмом магнитных полуцроводников [75] , а также эффекты, типа фотомагнитного отжига [7б] , поскольку в последнем случае суть дела не во влиянии оптически возбуждённых состояний, а в перераспределении локализации некоторых магнитных центров ( например ¥е2+ в У3Ре5012 : ).

Поскольку при оптическом возбуждении магнитное состояние ионов и обменные взаимодействия могут коренным образом изменяться, ясно, что и основное состояние может кардинально меняться в самых разнообразных вариантах. При этом новое магнитное состояние может иметь место либо в условиях динамического равновесия с оптической накачкой, либо оказаться метастабильным.

Метастабильное оптически возбуждённое состояние характеризуется стабильностью ( при достаточно низких температурах ) в условиях снятия оптической накачки. Ясно, что оно может быть как коллективным, т.е. иметь характер фазового перехода [38,39,40] , так и носить одноионный характер.

Оптически возбуждённые состояния в условиях динамического равновесия имеют ряд специфических особенностей. Поведение таких систем будет определяться соотношением времени оптической релаксации и времени релаксации между магнитными подуровнями основного и возбуждённого состояний. К подобным материалам применимы все требования, предъявляемые к лазерным кристаллам.

Именно изучению одного из магнитоупорядоченных лазерных з+ кристаллов 2 :Шг посвящено данное исследование.

Цель работы. Цель настоящей работы состояла в изучении поведения магнитной системы в условиях, когда одна из её подсистем находится в состоянии, недостижимом в нормальных условиях никаким путём, кроме оптического возбуждения.

Научная новизна. Методом двойного радио-оптического резонанса впервые обнаружено влияние оптически возбуждённого состояния ионов Но-5* на магнитные свойства в магнитоупорядоченном лазерном материале : Но-5* . Проведено экспериментальное и теоретическое исследование изменения параметров магнитного резонаиса в условиях оптической накачки. Объяснены также особенности угловых и температурных зависимостей резонансного поля и ширины линии монокристалла ч^е^о^ : Но3+ для случая, когда внешнее магнитное поле лежит в плоскости типа (ПО), в отсутствие накачивающего излучения.

Автор защищает:

- спектрометр двойного радио-оптического резонанса, позволяющий проводить изучение как влияния оптического излучения на магнитный резонанс, так и влияния магнито-резонансных переходов на прохождение оптического излучения через исследуемый образец;

- экспериментальное и теоретическое исследование изменения параметров магнитного резонанса в У3Ре^012 : Но^ обусловленное переходом части ионов Но3+ в оптически возбуждённое состояние при импульсном воздействии и при накачке лазером непрерывного действия;

- объяснение особенностей угловых и температурных зависимостей резонансного поля и ширины линии монокристалла : Но^ в основном состоянии.

Практическая ценность. Результаты исследований позволяют глубже понять механизмы формирования и изменения магнитных свойств когда существуют центры, находящиеся в оптически возбуждённых состояниях. Этот вопрос является важным как при создании электронных устройств, содержащих магнитные элементы, управляемые воздействием оптического излучения, так и в связи с проблемой создания квантовых генераторов, управляемых магнитным полем. Рекомендации и выводы, сделанные в работе, могут быть использованы в планировании и проведении новых экспериментов.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 104^ страницах машинописного текста, включая

Основные результаты работы состоят в следующем:

1) Создан спектрометр двойного радио-оптического резонанса, позволяющий проводить изучение как влияния оптического излучения на магнитный резонанс, так и влияния магнито-резонансных переходов на прохождение оптического излучения через исследуемый образец. Спектрометр характеризуется следующими параметрами: а) диапазон СВЧ частот - £ = 8,2 -г 50 ГГц ( набор сменных вставок ); б) область магнитных полей - 0 * 8 кЭ; в) диапазон оптического излучения - 0,3 т 2,5 мкм; г) температурная область - 4,2 * 300 К.

2) Впервые экспериментально обнаружено влияние оптически возбуждённого состояния ионов гольмия на магнитный резонанс в магниз+ тоупорядоченном лазерном материале У^е^О^ : Нет •

3) В рамках теории медленной релаксации, когда матрица рассматривается в континуальном пределе, а ионы гольмия представлены, как квазиизинговские ионы, объяснены особенности угловых и температурных зависимостей значений резонансного поля и ширины линии магнитного резонанса в случае, когда внешнее магнитное поле лежит в плоскости ( НО ) и нет излучения накачки.

4) Проведено экспериментальное и теоретическое изучение из-«енения параметров магнитного резонанса, когда примесный ион перегодит в возбуждённое состояние. Показано, что основные эксперимен-■альные результаты можно объяснить эффективным уменьшением концентрации примесных ионов Но^+ из-за ухода на оптический уровень и отклонением населённостей уровней основного квазидублета от Больцмановского распределения в цикле оптического возбуждения и релаксации.

Автор выражает благодарность своему руководителю доктору физ.-мат. наук, профессору Г.А.Петраковскому за руководство и постоянное внимание на всех этапах работы, а также считает своим долгом поблагодарить сотрудников лаборатории Резонансных свойств магнитоупорядоченных веществ Института физики им.Л.В.Киренского СО АН СССР : К.А.Саблину за синтез монокристаллов иттрий-гольми-евого феррита-граната, Г.Н.Степанова за обеспечение технологической базы во время синтеза и И.М.Столовицкого за разностороннюю помощь в процессе создания и отладки спектрометра двойного радио-оптического резонанса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе представлено экспериментальное и теоретическое исследование влияния оптически возбуждённых состояний ионов гольмия на магнитный резонанс в монокристалле иттриевого феррита-граната.

1. Известия Академии наук'СССР, сер. физическая, 1983, т.47 (12), с.2290 - 2377.

2. Weber E.w. Optical pumping of ions* Physics Reports, 1977, V.32C (3), p.167,

3. Davies J.J. Optically detected magnetic resonance and its applications. Contemporary Physics; A Review of Physics and Associated Technologies, 1976, v.17 (3),p.p.275 294»

4. Ермолаев В.Л., Бодунов Е.Н., Свешников Е.Б., Шахвердов Т.А. Безызлучательный перенос энергии электронного возбуждения. Л., Наука, 1977, с.312.

5. Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И.

6. Техника и практика спектроскопии. М., Наука, 1976, с.392.

7. Komarov A.V., Ryabchenko S.M., Terletskii 0.7. Microwave optical double resonance and magnetic circular dichroism of photochromic centres in Са?2 : Се.

8. EPR optical detection of P centre pairs in alkali hali -des. Phys. stat. sol. (b), 1972, v.54, p.p.565 - 576. 9. Call p.J., Hayes W., Hamimura R., Kabler M.H.

9. Pine structure splitting in triplet states of the self -trapped exciton in alkali halides.

10. J• Phys. С; Sol.St.Phys., 1975, v.8 (4), L56 L59.

11. Call P.J., Hayes W., Cabler M.N, Optical detection of exciton EPR in fluorite crystals» J. Phys. C; Sol. St, Phys., 1975, v,8 (4), L60 L62.

12. Hayes W., Owen I.В., Pilipenko G.I. Optical detection of exciton EPR in KMg?3. J. Phys. C; Sol. St. Phys.,1975, v.8 (19), L407 1409.

13. Абрагам А., Блини Б. Электронный парамагнитный резонанс переходных ионов. М., Мир. 1972, т.1, с.651. Т.2, с.349.

14. Murayama К., Morigaki К., Kanzaki Н. Exchage effects in the optical detection ESR and dynamics of the optical pumping cycle of P centres in KOI.

15. J. of Phys. Soc. Japan 1975, v.38 (6), p.p.1623 1633«

16. Murayma К», Morigaki K., Kanzaki H. Exchange effects in the optical detection ESR of F centres in KOI.

17. Solid State Comm. 1973, v.13 (8), p.p.1197 1202.

18. Geschwind S., Collins R.J., Schawlow S. Optical detection3+of paramagnetic resonance in an excited state of Cr^ in A1203. Phys. Rev. Lett. 1959, v.3 (12), p.p.545 548.

19. Geschwind S., Devlin G.E., Cohen R.L., Chimi S.R. Orbach relaxation and hyperfine structure in the excited E (2E) state of Cr^+ in Al2o.

20. Phys* Rev* 1965, v*137 (4A), p.p.1087 1Ю0*

21. Imbusch G*F*, Geschwind S* Optical detection of paramagnetic resonance in the excited S(2E) state of in A12°3» Phys» Lett* 1965, v*18 (2), p*p*109 110*

22. Imbusch G*F*, Chinn S*R*, Geschwind S* Optical detection of spin lattice relaxation and hfs in the excited E(2E) state of V2+ and Mn4+ in Al^* Phys« Rev. 1967, v*16 (12), p.p.295 - 309»

23. Каминский А.А. Лазерные кристаллы. M., Наука, 1975, с.256.

24. Альтшулер А.А., Козырев Б.М. Электронный парамагнитный ре -зонанс. М., Наука, 1972, с.672.

25. Muramoto Takao* ESR in optically state E(2E) of Cr3+ : AlgO^ in the case HlC^* J* Phys» Soc* Japan, 1973, v.35 (3), p*p*921 931»

26. Chase L*L* Electron spin resonance of the excited 2E(3d3) level of Cr3* and V2+ in MgO. Phys, Rev. 1968, v*168 (2), p.341.

27. McDonagh. G*, Dawson P*, Henderson B* Optical detection of magnetic resonance in MgO : Cr3+: 1• Octahedral and ortho -rombic site symmetries* J. Phys.C; Sol* St* Phys* 1980, v*13 (11), p.p*2191 2201 *

28. McDonagh C., Henderson В», Imbusch G.P., Dawson P* Optical detection of magnetic resonance in MgO : Cr3+ :2* Cr3+ ions in tetragonal sites* J* Phys* C; Sol* St* Phys* 1980, v.13 (17), p.p.3309 3318*

29. M-urphy J*C,, Aamodt Ъ»С*, Jen C#K* Energy transport in ruby via microwave optical experiments* Phys* Rev* B; 1974, v*9 (5), p*p*2009 - 2022*

30. Phys. Lett. 1974, v.47 (4), p.p.273 274. 37 Hutchison C.A.En-Den Liu. Fluorescence of trivalent rare earth ions in crystals and the optical detection of their EPR and EJTOOR spectra. Journal of Luminescence, 1976, 12/13, p.p.665 - 668.

31. Головенчиц Е.И., Лайхтман Б.Л., Санина В.Л. Долгоживущее магнитоупорядоченное состояние в EuCrO^ возбуждённое оптической накачкой. Письма в ЖЭТФ, 1981, т.31 (4),с.375 383.

32. Головенчиц Е.И., Санина В.А. Новое основное магнитное состояние EuCrO^ , возбуждённое оптической накачкой.

33. ЖЭТФ, 1981, т.80 (5), c.I9II 1924.

34. Головенчиц Е.И., Санина В.Л. Спектры оптического поглощения

35. EuCr03 . ФТТ, 1982, т.24 (2), с.375 383.

36. Kurita S., Toyokama К. Photoinduced magnetic phase transition in antiferromagnetic ErCrO^» Solid State Comm. 1983, v.38 (3), p.p.235 240.

37. Holzrichter I.P., Macfarlane R.M., Schawlow A.L. Magnetization induced by optical pumping in antiferro-mafnetic MnP2* Phys. Rev. Lett. 1971, v.26 (11), p.p.652 655*

38. Патрин Г.С. Спектрометр оптического детектирования магнитного резонанса. В кн.; Магнитные и резонансные свойства магнитных материалов. Красноярск, Институт физики, 1980, с.203 206.

39. Горшков М.М. Эллипсометрия. М., Советское радио. 1974, с.200.

40. Пул Ч. Техника ЭПР спектроскопии. М., Мир. 1970, с.557.

41. Яковлев Ю.М., Генделев С.Ш. Монокристаллы ферритов в радиоэлектронике. М., Советское радио. 1975, с.360.

42. Патрин Г.С., Овчинников В.В., Кулиев С.Н. Влияние лазерного излучения на"нагрев образца при низких температурах. В кн.; Магнитные, электрические и резонансные свойства магнитодиэ-лектриков. Крсноярск, Институт физики, 1982, с.169 177.

43. Роуз Инс А. Техника низкотемпературного эксперимента.1. М., Мир. 1966, с.214.

44. Владимиров B.C. Уравнения математической физики. М., Наука. 1967, с.248.

45. Самарский А.А., Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений. М., Наука. 1978, с.315.

46. Wood D.L., Remeika J.P. Effect of impurities on the optocal properties of ?liys. 1967, v.38 (3), p.p.Ю38 1045.

47. Крупичка С. Физика ферритов и родственных им магнитных окислов. М., Мир. 1976, т.1, с.353., т.2, с.504.

48. Белов К.П. Редкоземельные магнетики и их применение. М., Наука. 1980, с.239.

49. Кузьмин Е.В., Петраковский Г.А., Завадский Э.А. Физика магнитоупорядоченных веществ. Н., Наука. 1976, с.287.

50. Дружинин В.В., Шкарубский В,В., Чулков Н.М. Анализ спон -танной намагниченности и спектра гольмиевого феррита-граната в приближении анизотропного молекулярного поля.

51. ФТТ, 1983, т.25 (10), с.2942 2949.

52. Силантьев В.И., Попов А.И., Левитин Р.З., Звездин А.К. Ферримагнетики с Изинговскими ионами. Магнитные свойства гольмий-иттриевых ферритов-гранатов в сильных полях при гелиевых температурах. ЖЭТФ, 1980, т.?8 (2), с.640 655.

53. Гуревич А.Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках. М., Наука. 1973, с.591.

54. Агеев А.Н., Гуревич А.Г. Ферромагнитный резонанс в иттри-евом-гранате с примесью гольмия. ФТТ, 1969, т.П (8),с.2122 2129.

55. Zeiden Р.Е. Ferrimagnetic resonance relaxation in rare -earth iron garnet. Phys. Rev., 1964, v.133 (ЗА), p.p.728 -736.- юз

56. Левитин Р.З., Попов А.И., Снигерёв В.В. Ферромагнитный резонанс в гольмий-иттриевых ферритах-гранатах в Изинговской модели. ФТТ, 1982, т.24 (10),с.3138 3140.

57. Johnson L.F., Dillon J.F., Remeika J.P. Optical proper -ties of Ho3+ ions in Yyia^g and ^Fe^g. Phys. Rev* B: 1970, v.1 (3), p.p.1935 1946.

58. Stafford R.G.f Mastd H#, Farrow P.L., Chang R.K.3+

59. Coherent emission from Ho^ ions by pumping into the YIG absorption band. J#Appl. Phys., 1976, v.47 (6), p.p.2483 -2485.3+

60. Kamimura H., Yamaguchi T. Energy levels of Ho ions in yttrium gallium garnet and Y^Fe^O^ and exchange between Ho3+ and Pe3+ in PhySe Rev*B? 1970, v.1 (7), p.p.2902 2911.

61. Петраковский Г.А., Патрин Г.С. Влияние оптического возбуждения примесных ионов Но3+ на ферромагнитный резонанс в

62. Y3Fe5°12 • Ш> 1983' т-25 (10)' с'3147 3149'

63. PetrakovBkii G.A., Patrin G.S. Influence of photo exci3+ted Ho^ ions on ferromagnetic resonance in Y^Fe^O^g. Solid State Comm., 1983, v.48 (1), p.p*25 28.

64. Петраковский Г.А., Патрин Г.С. Влияние оптического излучения на ШР в монокристалле Y^e^O^ : Но3+ . Тезисы докладов. 16^2 Всесоюзная конференция по физике магнитных явлений. г.Тула, 1983, т.З, с.83 84.

65. Petrakovskii G#A#, Patrin G#S. Influence of optical excited state of Ho3+ ions on magnetic resonance in ^Fe^O.^» Abstracts» 22= International conference on physics of magnetic materials. Poland, Jadwisin, p.208,

66. Петраковский Г.А., Патрин Г.С. Магнитный резонанс в монокристалле иттрий-гольмиевого феррита-граната и его свето-индуцированное изменение. Препринт №303$, Красноярск, Ин -ститут физики, 1984, с.32.

67. Кессель А.Р., Верим Г.О. Магнитный резонанс Изинговских магнетиков. М., Наука. 1982, с.147.

68. Белов К.П., Звездин А.К., Кадомцева A.M., Левитин Р.З. Ориентационные переходы в редкоземельных магнетиках. М., Наука. 1979, с.320.

69. Кошляков Н.С. Уравнения в частных производных математи -ческой физики. М., Высшая школа. 1970, с.710.

70. Новицкий А.А., Кожевников И.Г. Теплофизические свойства материалов при низких температурах. Справочник.

71. М., Машиностроение. 1975, с.216.

72. Исихара А. Статистическая физика. М., Мир. 1973, с.471.

73. Магнитные полупроводники, под редакцией Н.Г.Басова. Труды ФИАН, т.139, сборник статей, М., Наука.1982, с.172.

74. Бердышев А.А., Кожевников Н.В. Фотомагнетизм. Рукопись Деп.ВИНИТИ, №2795 77, 1976, с.51.