Ядерная сплин-решеточная релаксация обусловленная наличием двухуровневых возбуждений в магнитоупорядоченных веществах тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.07 ВАК РФ

РГ6 00

-1 ; ш ы

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ АН ГРУЗИИ

га правах рукописи

Мелтп<адав Арчил Николаевич

ЯДЕРНАЯ СПИВ-РЕ1ЕГ0ЧНАЯ РЕЛАКСАЦИЯ ОБУСЛОВЛЕННАЯ НАЛИЧИЕ» ДВЛУРОЕНЕШХ ВОЗБУЖДЕНИИ В МЛГНКТОТПОРЯДЭЧЕКНШС БЕГСТВАХ

О*.02.07 - физика твердого тела и квантовых жидкостей

. АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата фгэпко-математических наук

татлмск

1993

.Работа выполнена в институте физики.АН Грузии

I

Научные руководители: • член-корреспондент АН РГ, доктор физико-математических наук, профессор Буиашили Л. Л.

доктор физико-математических наук, профессор Тугуши А. И.

официальные опонентн:

1. Дэкгор физиюо-математичаских наук, профессор Вачнадзв Г.Э.

2. Доктор физико-матбнзггчэскж наук, профессор Абесадза Т.Ш.

С-

Еацита диссертации состоится \2г~* ^Ш^УТЫ 1993

7Т

года в институте физики на няучно-атестационном совете РМ 01.02. С 4 1-3..

Ознакомитоя с'-диссертацией козно в^инсг иг у физики по адрасу: Грузия, Тбилиси 380077, ул. Тамарашвили 4* 6. .

Автореферат разослан /£" Срё вЛ¿X /99 5 £ ■

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРЛСТГГИ РАБОМ

Актуальность. теш: большой наг в области исследования неупорядоченных: систем был - сдэлап после того, как . экспериментально были .обнаружены рлюкзяьнш универсальные низкотемпературные свойства присущие широкому классу агюрфных тел (при низких температурах теплоемкость пропорциональна температур«, а тепло- проводнссть пропорциональна квадрату температуры).

Появились работы, авторы которых попытались теоретически объяснить результаты этих экспериментов, глиболее успешная модель, которая позволяла объяс!отть тепловые свойства

• аморфных твердых тел, была предложена в работах [1,2]. Согласно этой модели, определенное число атомоЕ, либо Труппа атомов, могут находиться на одном из двух возможных . близколежащих мест, соответствующих минимумам несимметричной потенциальной ямы, совершая туннельные переходы незду этики положениями, что приводит к расщеплению состояний. Локальное окружение этих атомов в аморфной система различное, что приводит к распределению этих расщеплений с плотностью, распределения, которая почти постоянна по энергиям. Следовательно, согласно рассматриваемой модели, утверядается, что в аморфной системе имеются локализованные элементарные возбуждения определенного типа - туннельные двухуровневые

• системы (ДУС). - -

На сегодняшний день область применения этой модели очень расширилась. С ее помощью ' били ооьяскены равные низкотемпературные свойства полимеров, образцов кварца, предварите ль. но облученных потоками- нейтронов, супериокных проводников, кристаллов с-,.точбчными 'дефектами, полуквэнтовкх жидкое т б Я водородосодержаних металлов.

Позднее' было сделано предположение о наличии ¿УС в магнитоушрядочешых веществах "3-53. В частности утверждалось, что ДУСы действуют на процессы релаксации электронной спиновой системы. -Это означает, что они тем самим

будут влиять также на ядерную релаксации. В настоящей работе теоретически вычисляется время ядерной релаксации с учетом ЭТОГ'О влияния.

Целью. диссертационной работы является теоретическое исследования влияние ДУС на процессы ядерной релаксации в магнитных веществах. Рассмотрены случаи ядерной релаксации в аморфных ферромагнетиках' и .двух- подрешеточных анткферромагнетиках.

Научная новизна к практическая ценность работы: »изучена задача-СРР-ядер е аморфных ферромагнетиках при низка температурах. Выведено выражение для гамильтониана, описывающего СРР ядер с учетом туннельных ДУС как для случая магнитных, так и немагнитных ДУС. Решена задача макроскопической релаксации ядер с учетом сгшнЬвой.диффузии. Рассмотрены случая быогрзй и -медленной диффузий." Изучено влияние ДУС на процессы ядерной СРР в двухподрешеточных антифэрромагнегюсах. Рассмотрены. случаи для разной концентрации ДУС. Многие выводы доступны для экспериментальной проварки.

Выведен гамильтониан взаимодействия ядерных спиновых волн с ДУО-ами. Предложено,- теоретическое объяснение экспериментальных данных по релаксадии ЯСВ в магнитных веществах. ' .

К защите предстаЕленн следующие результаты: Т Хзучен вопрос ядерной СРР~в аморфных ферромагнетиках при участии ДУС. Вычислены времена непосредственной релаксации ядерных спинов. Расгаогревд случаи быстрой и медленной диффузий. Вычислены времена макроскопической релаксации в этих случаях.

'¿. Изучен вопрос ядерной СРР в двухподрешеточных антифоррокагнетиках при участии ДУС. Вычислены времена непосредственной релаксации ядерных спинов. Рассмотрены случаи с болшей и с меньшей концентраций ДУС. Вычислены зрб!.:эна макроскопической релаксации в этих случаях.-

3. Рассмотрены процессы релаксации ядерных спиновых волн в следствии их взаимодействуя с ДУО-ами. Вычислены времена релаксации ЯСВ для разных. процессов.. Сравниваются _ теоретические и экспериментальные данные.

Апробация результатов: Оснобнш материалы диссертации опубликованы в 3-х научных работах.

ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, основных результатов работы, двух математических дополнений и списка цитируемой литератуи. Изложена на 84 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ ■ .

Во введенн! обоснована актуальность теш: диссертации, даетсяГоозор сущесгвупднх до этой теме работ, сформул;фована задача исследования и ;элонзно краткое содержание диссертации.

Первая глава состоит . из - двух параграфов. Она посвещавтся вопрос!' ядярноЯ сгсЕьрэжзточьШ релаксации. В первом параграфе рассматривается случай, когда атомы образующие ДУС являются номагшггнюш. 3 этом случае, непосредственное взаимодействие ядерных спинов с ДУО-ами не имеет места. Связь между ними косвенная - через поле гагконов (магноны взаимодействуют как с ядерннми спинами, т&к и г ДУО-ами). •

Вычисляется гамильтониан косвенного взаимодействия ядерных ' спинов с ДУС-ами ло методу Фрелиха, Время непосредственной релаксации ядерных сличоз вычисляется формулой КуОо. Дня наиболее эффективных процессов: В£ргу2 (Ег-Л^) *т ёхр(-2(\/|3)',/гВ)

1/Т";1)(;Е0 =-г-п-=-5---Г5-Г" <1>

32ж р Л- Е ей (Е/2Т) (т-к.г'Г )д

1 /'7

(г)

bW ,Ъ-\лиг Ao exP( -2(X/ß) 1/SR) (R)-—-~|-s— -^-— (2)

8% > E"sh (E/2T) Г

• • где E - анергия ДУС; &Q - туннельная энергия ДУС; А -

'параметр цели-в магнонном спектре; ß - обменный параметр; и

- частота ЯМР); Б - константа СТВ; х- - время корреляции ДУС;

H/V-- плотность; F, С - коэфиикенты взаимодействия ДУС-ЭСВ.

Ясно, что те ядра, которые находятся вблизи от ДУС

лрвдут Е равновесие о, решеткой быстрее дальних, в результате

чего возникнет градиент спиновой температуры с' последующей

спиновой диффузной.

Вычисляя время макроскопической релаксации различаются

случаи оыстрой и медленной диффузии. Соответственно имеем:

2";/гп1аУ2В£е^аТ5/2Р ■ '^К быстр) = 5 ^

21/гпС2.УэЕ2е-'^аТ3/2Р

быстр) = 3 " Лр7/гаг (5)

здесь ' - ' минимальное значение туннельного

параметра; Р - плотность состояния ДУС; Ет - максимальное ■ значение энергии расщепления ДУС; а - растоянда между атомами; ¿Ч'л/р)1/2.

Во втором параграфе рассматривается случай, когда ДУС ■ образую? магнитные атомы. В этом случае наряду с теми, механизмами, которые изложены в 'первом параграфе, имеется и диполь-диполыное взаимодействие между магнитными моментами атомов ДУС и ядерными спинами, константа которого флуктуирует при переходах атоибв мекду . состояниями ДУС, что, естетстзенно, будет приводить к дополнительному каналу релаксации ядер.

Вычисляется время непосредственной релаксации ядер, рас ¡толоке иных на расстоянии К от ДУС. 1Сак и в первом

-4

параграфа отдельно обсуждаются случаи быстрой и медленной диффузии:

1/т1с медлен) «15кпБ(б2/Б),/6К,/аРТ5/6 (5)

п б2РТ2

1 /Т кз --! 71

(быстр) .-МЛ2а8Хдг

I- Ош1 п

где п1 - концентрация ядерных спинов. Сравнивается эффективность предложенных механизмов СРР ядер с известным двухмагнонннм процессом. Показывается, что при разумных концентрациях ДУС предложение механизмы релаксации будут более эффективными.

Во второй главе рассмотрен вопрос о ядерной спин-решеточной релаксации в антиферромагнетиках при участии Д'/С.

Эта глава состоит из двух параграфов. В первом параграфе выводится гамильтониан косвенного взаимодействия ДУС-Ду'С через поле мягноное. Гамильтониан взаимодействия ядергшх спиноз с ДУС-ами выводится аналогично ферромагнитному .случаю. Затем вычисляется гамильтониан взаимодействия ■ ДУС-ДУС во втором порядке теории возмущения.

Во втором параграфе вычисляется В1«эмя макроскопической ядерной СРР. Все расчеты проводятся аналогично ферромагнитному случаю (глава 1).

Рассмотрены случаи с большой и малой концентраций ДУС. Для времени макроскопической релаксации ядерних спинов, соответственно имеем: '

р2 ..1/2 р -г^в. О е е Г2 V а

(8)

малая 4 /2 хгН Аотт 11 пг

1 1 БгС2 е~2^а /(^0)2-Д

•Р

0т1г. V2 по

бол А малая *г /г а ™ Г1т

(9)

5

(

D2G* V2.n0

-р(Т1п(Г/Дг , Mlnic-1.58)T]-r — (10)'

l Omin JH2 n

Т^^ШК3;.2 a6 «■ 'Jmiri Jr Пг

здесь n0- плотность ДОС; D - константа магнитной анизотропии; С0-койф£тгциент сверхтонкого взаимодействия; u ~J -(J-константа обменного взаимодействия). Существует области температур, для которых предложенные мехзнизмы являются более эффективными, чем сбсукдаемш в литературе • процессы двухмагнонной релаксации.

Глава 3 состоит из двух параграфов. Она посвящается вопросу релаксации ядерных спиновых волн. Как показано ъ_ главах 1,2 ДУС сказывают большое влияние на ядерную СРР, поэтому следует ожидать, что их влияние в процессах релаксации ЯСВ может быть определяющим.

3 первом параграфе теоретически рассмотрены разные механизмы релаксации ЯСВ на ДУС которые дагоразную температурную зависимость для времени релаксации ЯС-В. ' В частности: ^

1/"I(1)~T; 1/Т(2)""Г2,5; l/T^^T6. ' (11)

Во втором параграфе сравниваются полученные теоретические результаты с экспериментальными данными. В, экспериментах вычисляется зависимость - времени релаксации ЯСВ от температуры. Наблюдаются разные температурные зависимости:

В работе [6] показано, .что похожие процессы релаксации наблюдаются в разных веществах "(CsMnP , CsMnCl3). Предполагается, что в этом случае релаксация ЯСВ определяется дефектами кристаллической решетки. Дефекты описываются кар; двухуровневые системы. 'Теоретические расчеты дают: Т, ~ Т3. Но как известно, в кристаллах с дефектами

могут образовываться ДУС (туннельные двухуровневые системы с различным спектром). Вычисление нами времена релаксации проиближенно согласуйся с экспериментальными данными как по порядку величины, так и по температурной зависимости. На этом

основании мн делаем предположение, что предложение нами механизм релаксации могут описывать реальные процессы происходящие в магнитных веществах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАВО'ГЬ£

1. Рассмотрены разные процессы ядерной спин- р^веточной релаксации -(ОРР) '".в.. аморфных ферромагнетиках при участии туннельных" двухуровневых систем (ДУС). Скорость непосредственной релаксации сильно зависит от растояния мекцу релаксирующим ядерным спином и ЛУС, что вызывает градиент спиновой температуры с лоследуещей спиновой диффузией.

2. Получены выражения для макроскопической рллаюзции н случаях быстрой к медленной диффузии. В случав медленной диффузии температурная зависимость, времени релаксации Солее слабая, чем в случае быстрой диффузии.

3. При разумных концентрациях ДУС про долинные мэхани-мн релаксации более эфективнн чем известию двухм^гнонныч процессы.

4. Рассмотрены процессы ядерной ' СР? в антиферромагнвтиках при наличии ДУС. Температурная зависимость времени макроскопической ядерной релаксации качественно меняется при увеличении концентрации ДУС, Существует область температур при которых лр.эдлоиеннне механизмы релаксации • более эфективнн .чем двухмалчениш процессы релаксации.

5. Изучен вопрос влияния ДУС на релаксацию ядерных спиновых волн (ЯСБ). Наиболее зфегсгкзнн следущш процесси вызывающие релаксацию. ЯСЬ поглощение (испускание) ЯСВ флуктуациями г-комлоненты псчвдоспина ДУС я при переворотах псевдоспина ДУС, а также при переворотах" псе вдос пина с одновременным испусканием (логлощандам) электронных мэгноноа.

6. Г; ¡численье вр^ьчна мактоскопической ]*лакоации пр>иблиоительно согл^сустея с ькспериментальными данными кнк по порядку величины так и по температурной зависимости.

7

МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Буишвили Л. Л, ?/еликадзе А.Н, Тугуши А. И. - Релаксация ядерной намагниченности в аморфных ферромагнетиках, ЖЭ'ГФ, 1488, 94, 6, с. 228-23-1.

2. Буишвили Л. JL, Келикадзе А.Н., Тугуши А. И. - Ядерная релаксация в двухподрешеточных анткферромагнетиках •. при участии двухуровневых систем, <JMM, 1991, 12, с'. 5-8.

3. Мзликадзе A. ft, Тугуши А. И. - Взаимодействие мевду ДУС-ами в аморфных антиферрсмагнегиках, Сообщения АН Грузии, 1991. jtyi

1. Phillips W.А. - Tunneling States In Amorphous Solids -Journ. of Low Temp.Phys., 1972, v.7, 3/4, p.351-360.

2. Anderson P. 17., Halperin В.I., Varma C.M. - Anomalous Low-temperature Thermal Properties of Glasses and Spin Glasses, 1972, v.25, 1, p.1-9.

3. Continentir.o M.A.,- Structural Relaxation in ?erroma£rietic Glasses, J.Phys.C., 1531, 14, p.3527-3539.

4. Малеев С. В., Скрябин Ю.Е- Туннельные состояния в аморфном ферромагнетике, КЭТФ, 1982, 83, б, с. 380-393.

5. Калэев С.Е - Природа двухуровневых систем в слабо фрастированных ферромагнетиках, XVIII Всесоюз. конф. по физ. магн. явлен., Калинин, 1988, с.590-591.

6. Андривнко А.Е, Ожогин В. И., Сафонов B.JL, Якубовский А.Ю. - Исследования ядерных спиновых болн, УФН, 1991; -161, 10, с.1-35.

ЛИТЕРАТУРА: