Анизотропный f-d -обмен и магнитные свойства ортоферрита и ортохромита гадолиния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРЕ И МАГНИТНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ В ОРТОФЕРРИТАХ И ОРТОХРОМИТАХ

§1.1. Кристаллическая и магнитная симметрия и основные магнитные свойства редкоземельных ортоферритов

§ 1.2. Свободный редкоземельный ион

§ 1.3. Редкоземельные ионы в кристаллическом поле

§ 1.4. Анизотропное -р-Л—взаимодействие в ортофер-ритах и ортохромитах. Спин-гамильтониан анизотропного (усМ-1©-обмена и дипольного взаимодействия

§ 1.5. Термодинамический потенциал неравновесного состояния редкоземельных ортоферритов и ортохромитов

ГЛАВА П. ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ Бс|-Ре-ВЗАИМ0ДЕЙСТВИЙ В ОРТОФЕРРИТЕ ГАДОЛИНИЯ

§ 2.1. Термодинамический потенциал.

§ 2.2. Анизотропия спонтанной намагниченности и фазовая На- Т -диаграмма всГРе03.

§ 2.3. Определение параметров Со1-Ре-взаимодействия в Сс£еОд.

ГЛАВА Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ (^-Сг-ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В ОРТОХРОМИТЕ ГАДОЛИНИЯ

§ 3.1. Фазовая Нд-Т-диаграмма бс1Сг03.

§ 3.2. Исследование вращающего момента в ас плоскости.

§ 3.3. Определение параметров магнитных взаимодействий в Ос1СгО численными методами

ГЛАВА 1У. НОВЫЙ МЕХАНИЗМ ОРИЕНТАЦИОННЫХ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ, ИНДУЦИРУЕМЫХ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ В СЛАБЫХ ФЕРРОМАГНЕТИКАХ

§ 4.1. Механизм и условия существования фазового перехода.

§ 4.2. Фазовая Нх - Н2- Т-диаграмма.

§ 4.3. Аномалии физических величин на линии фазового перехода.

§ 4.4. Фазовые переходы, индуцируемые наклонный магнитным полем в 0сШе

Редкоземельные ортоферриты (РЗОФ) и ортохромиты (РЗОХ) являются представителями редкоземельных соединений [1-5] , которые в настоящее время находят самые разнообразные практические применения. В первую очередь следует отметить их использование в вычислительной технике и автоматике в качестве базы для создания элементов памяти запоминающих устройств на цилиндрических доменах, обладающих в этих соединениях рекордной подвижностью границ [б,?]. Наличие разнообразных спинпереориентационных (СП) переходов позволяет использовать их также для термомагнитной записи информации вблизи соответствующих критических точек. Большие эффекты Керра и Фарадея обуславливают их применение в магнитооптических устройствах, таких как модуляторы света, управляемые транспаранты, перестраиваемые дифракционные решетки [8] .

Вместе .с тем изучение ортоферритов, как и всяких соединений со сложной структурой и богатством различных взаимодействий,представляет большой интерес и с чисто научной точки зрения. В этой связи прежде всего в них привлекает огромное богатство СП-переходов как спонтанных, так и индуцируемых внешними полями, изучение которых проливает свет на природу фазовых переходов в магнито-упорядоченных веществах [б] . Отметим также уникальную возможность изучения магнитных взаимодействий, которую представляет варьирование редкоземельного иона в ортоферритах по всему ряду лантаноидов.

Исследованию РЗОФ и РЗОХ посвящено огромное число работ, однако до сих пор они изучены далеко не полно как в экспериментальном, так и в теоретическом отношении. Известным недостатком большинства экспериментальных исследований является ограниченность поставленных задач: практически отсутствуют работы, в которых ставилась бы цель всестороннего изучения магнитных свойств рассматриваемых соединений. Что касается теоретического аспекта, то в достаточно законченном виде существует только феноменологическая теория ортоферритов, основывающаяся на симметрийном подходе [э] . Микротеория, к сожалению, в большинстве случаев пока не в состоянии давать надежные количественные оценки магнитных взаимодействий в ортоферритах (в первую очередь это касается анизотропного обмена), хотя в последнее время здесь наметились известные сдвиги [ю] . Плодотворно развивается квантово-фено-менологический подход, при котором учитывается конкретный спектр редкоземельного иона (R-иона) в кристаллическом и обменном полях, однако параметры гамильтонианов этих взаимодействий рассматриваются как феноменологические величины, подлежащие определению из эксперимента [б] .

В отношении магнитных свойств больший интерес исследователей вызывают РЗОФ и РЗОХ с сильно анизотропными редкоземельными ионами, поскольку в них, вследствие сильного взаимодействия редкоземельного иона с кристаллическим полем и заметного анизотропного -f- d -обмена, обычно наблюдается ярко выраженная анизотропия магнитных свойств. Сюда относятся TmPeO. , ErPeCL , /УdPeO и т.

ООО д., а также ортоферриты с "изинговскими" редкоземельными ионами ( Té3+ ,Dy3+ , ШЭ3+ ), в которых намагниченность отлична от нуля практически только вдоль одного, характерного для данного соединения, направления.

В этом ряду ортоферрит и ортохромит гадолиния на первый взгляд представляются более простыми объектами исследования. Дело в том, что основное состояние свободного иона Gd3+ есть ^7/д с L= 0, а возбужденные состояния с L 0 отделены от основного большим энергетическим интервалом. Поэтому примесь к основному состоянию возбужденных, возникающая за счет - взаимодействия и рассчитываемая по теории возмущений, оказывается малой [11,12] и, следовательно, ион гадолиния является ионом З-типа, с практически ' < сферически симметричной волновой функцией. Ионы Ре3+ и Сг3+ также являются ионами 5- типа: основное состояние свободного иона Ре3+ есть £> - состояние (I. = 0), а у иона Сг3+ оно представляет собой орбитальный синглет, т.е. орбитальный момент "заморожен". Отсюда следует, что, во-первых, ион Стс13+в СбРеО„ и бсЮгО,, слабо взаимодействует с кислородным окружением

3 3 кристаллическое поле не расщепляет Р7/2 ~ мультиплет) и, во-вторых, казалось бы, обменное взаимодействие С^-Ре в (тс1РеОд ( и (^-Сг в Ск1Сг03) должно быть изотропным и описываться гейзенберговским гамильтонианом [15-19] . Первое утверждение, по-видимому, справедливо - оно подтверждается данными по ЭПР на ионах '6с13+:УА£.03 [13] , а также достаточно хорошей изотропией восприимчивости этих соединений (см.»например, [14-] ). Однако второе утверждение представляется менее очевидным, во всяком случае оно не было убедительно обосновано ни экспериментально, ни теоретически, если не считать приведенных выше общих соображений.

Основной целью настоящей работы и является - выяснить, какую роль играют анизотропный о! - обмен в формировании магнитных свойств &с!Ре03 и Бс1Сг03. Поскольку микротеория не в состоянии однозначно ответить на этот вопрос, то основной метод нашего исследования - сравнение теории и эксперимента. Предложена модель, в рамках которой получен термодинамический потенциал (ТП), описывающий магнитные свойства указанных соединений в широком интервале температур и внешних магнитных полей, и, с другой стороны, поставлен ряд экспериментов. Сравнение теории с экспериментом проводится в два этапа: сначала мы убеждаемся в адекватности модели, показывая, что теория в качественном отношении описывает все особенности экспериментальных кривых, а затем, из требования наилучшего согласия теории и эксперимента, находим значения параметров магнитных взаимодействий в 6сРе03 и Сс1Сг03. Результаты проведенного исследования свидетельствуют о том, что анизотропный £ - о1 -обмен играет существенную роль в формировании магнитных свойств этих соединений, несмотря на 5 - тип взаимодействующих ионов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения.

Основные результаты Главы 1У

1. Предсказан, исследован и экспериментально подтвержден новый ориентационный фазовый переход первого рода между двумя угловыми фазами, индуцируемый магнитным полем произвольного направления в ортоферритах с определенным характером анизотропии спонтанного магнитного момента.

2. Теоретически исследована фазовая Нх - Н^ - Т-диаграмма этого фазового перехода с учетом насыщения редкоземельной подсистемы и проанализированы аномалии некоторых физических величин на линии фазового перехода.

3. Для GdPe03 численно рассчитана фазовая Нх - Н^ - Т-диаграмма, кривые угловой зависимости вращающего момента в ОС- плоскости, а также скачков вращающего момента и углов поворота спинов на линии фазового перехода.

Для GdPe03 кривые L Bp(6H) снимались экспериментально при различных значениях температуры и магнитного поля. Они хорошо согласуются с рассчитанными теоретически, выявляя характерные для рассматриваемого фазового перехода аномалии (наличие дополнительного "срыва"), что является экспериментальным подтверждением существования этого перехода в GolPeO,,. О

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулируем основные результаты диссертационной работы:

1. Для слабых ферромагнетиков с магнитными ионами 5 -типа (0с1Ре0о и 6йСгО„ ) развита теория, позволяющая описать их маг

О и нитные свойства в широком интервале температур ( Т^-^К Т^) и магнитных полей.

2. Рассчитаны и проанализированы фазовые На-Т-диаграммы, кривые угловой, полевой и температурной зависимости вращающего момента, которые хорошо согласуются с соответствующими экспериментальными данными для 6с£Ре03 и вбСгОд .

3. Из сопоставления теории и эксперимента, на основе разработанной процедуры численного анализа, определены параметры, фигурирующие в термодинамическом потенциале, причем значения константы анизотропии Ре (Сг)-подсистемы и параметров бсЛ-Ре(Сг)-обмена (изотропного и анизотропного) найдены впервые.

4. Обнаружено, что вклад в эффективные поля за счет анизотропного 6с1-Ре (Сг)-обмена, главным образом антисимметричного, составляет ~ 50% от вклада других взаимодействий (изотропного обмена и дипшьного взаимодействия). Отсюда сделан принципиальный вывод о том, что в №е03 и &сЮг03 анизотропный -обмен играет важную роль в формировании магнитных свойств этих соединений, несмотря на 3 - тип взаимодействующих ионов.

5. Предсказан и теоретически исследован новый спин-переори ентационный фазовый переход первого рода между двумя угловыми фазами, происходящий в наклонном магнитном поле в слабых ферромагнетиках с определенным характером анизотропии спонтанного магнитного момента. Для редкоземельных ортоферритов, в которых условия этого перехода реализуются ниже точки компенсации, проанализирована фазовая Нх - Н^ -Т-диаграмма, а также аномалии некоторых физических величин на линии фазового перехода в Н - Н2-плоскости. На основе найденных параметров магнитных взаимодействий в 6с1Ре03 численно рассчитана его фазовая Нх - Н2 -Т -диаграмма ( с учетом эффектов насыщения СсИюдсистемы), а также кривые вращающих моментов в. ас-плоскости, на которых при температурах ниже точки компенсации появляются характерные аномалии (дополнительные "срывы")! связанные с фазовым переходом.

6. Проведенные в работе измерения вращающих моментов в (кЙге0о, выявившие эти аномалии, подтверждают существование укаО занного фазового перехода.

В заключение выражаю глубокую признательность моим научным руководителям - профессору К.П.Белову и кандидату физ.-мат.наук А.А.Мухину за предоставленную тему, постоянный интерес к работе и всестороннюю помощь. Хочу также искренне поблагодарить физиков-теоретиков А.К.Звездина, В.М.Матвеева, А.С.Москвина, Е.В.Сини-цына, беседы с которыми содействовали решению ряда вопросов, поставленных в диссертации. В процессе работы над диссертацией автор постоянно ощущал поддержку всех сотрудников Проблемной лаборатории магнетизма и кафедры ОФЕФ физического факультета МГУ, которым он также выражает искреннюю признательность.

Особую благодарность приношу Антонине Михайловне Кадомцевой,, без дружеской помощи и стимулирующей поддержки которой настоящая диссертация не была бы написана.