Эффекты кристаллического поля в редкоземельных окисных магнетиках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

V.»

<лУ

Г\ 'О,:

> л

. МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА. ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ.Ы.В.ЛОМОНОСОВА

Физический факультет

На правах рукописи УДК 537.611 ♦ 537.622

КОЛМАКОВА Наталья Павловна

ЭФФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ПОЛЯ В РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ОКИСНЫХ МАГНЕТИКАХ

Специальность 01.04.11 - физика магнитных явлений

АВТОРВВЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 1991

Работа выполнена на кафедре общей физики для естественных факультетов физического факультета Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова и в Брянском институте транспортного машиностроения.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Ведяев А.В.; доктор физико-математических наук, профессор Москвин ¿.С.; доктор физико-математических наук Харченко Н.Ф.

Ведущая организация - Институт атомной энергии

им.И.В.Курчатова

Защита состоится " 1992 г. в /Г час.

на заседании Специализированного Ученого Совета Д 053.05.40 по физике твердого тела при Московском государственном университете им.М.В.Ломоносова по адресу: 117234, г.Москва, В-234, Ленинские горы, МГУ, криогенный корпус, ауд. 2-05.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан

У/, Лло/)/уи{ _ 1992

Ученый секретзрь Специализированного Совета Д 053.05.40 доктор

физико-математических наук, профессор

С.А.Никитин

мгстшш!

«ЛЮТЕК!

п ^ I-ь.^.ЛЕз^а Отдел ссрртгц;^ ^

-3-

0БЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность проблемы. Окг.онуо соодпнегЕя на основе редкоземельных (РЗ) элементов характеризуются сольтам разнообразием утги-*алышх магнитных. магннтоунругах, мапсгтооптпчоскпх, резонансных, штпческих я других физических свойств. Это обстоятельство обуславливает их использование в соврэ?:91шоЛ наукэ п техшшо а качестве рабочих материалов в лазернсП и вы'-гаслнтольноЯ техкнко, прикладной магнитооптике, в различных устройствах микроэлектроники, нзг-зитоакустики п т.д.

Исследование РЗ соединенна позволяет, что представляется пск-точителыю важным, репать проблем, пмещие фундаментальное зпаче-ше для физики твердого тела. гл ойзг.м проблема;.^, киексдами ¡епосредственное относешю к данной работе, являются проблем; шяснения механизмов формирования магнлтоупругих и маггштооптичо-:нпх свойстз кристаллов, ориентационных и структурных фазоснх подходов, природы высокотемпературной сверхпроводимости.

Свойства РЗ соединений очень сильно изменяются при перехода т одного РЗ иона к другому. Поэтому важное значение таээт гздело-ив вклада РЗ подсистемы, который определяется индивидуальшмл войствага РЗ иена в данном соединении п который определяет зако-одарностп изменения фтаяческих свойств по ряду РЗ попов. РЗ пени 1српсталлнчэско0 рспэткэ обладав? восьнэ слотов электронной груктуроЛ, строгий «гироскопический рэсчо? которой з пастопзэе эемя практически невоз'.:;сзн. Поэтому при теоретическом рассютре-П1 часто используются '•полуфансмеЕолоппосгсге" подхода (см. на-)имер, монографии (И>, основанные на гамильтонианах, которые пе гаисляются из первых принципов, а конструируются исходя из обазп ойств симметрии окружения ионов. Однако, к настоящему времени коплен большой объем спектроскопической информация, которая по-оляет количественно решать задачи о влияния РЗ поноз на £орлтрэ-ние свойств РЗ соединений, конечно, при условна использования еквагных методов расчета. Важно, что данный подход позволяет бежать появления дополнительных феноменологических параметров, горые неизбежно сопутствуют, например, методу сшш-гамильтопиа-, и рассчитывать в единой схеме свойства весьма иирокого класса дашэний ют гранатов до ВТСП с РЗ ионами».

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы являлось теоретическое исследование магнитных, упругих, магнитоупругих и магнитооптических свойств РЗ окисных соединений в рамках единого подхода. Изучались следующие РЗ соединения: галлаты-, алюминаты- и ферриты-гранаты, н3и5о12 (и = са, л1. Ре), РЗ фосфаты со структурой циркона, ВРОд, РЗ ортоалшинаты , ортоферриты и ортохромиты, Ю103, и « А1, Ре, Сг, высокотемпературные сверхпроводники 1-2-3 тала, кза^о^.

Дня этого были разработаны: 1) высокоэффективная оптимизационная процедура для случая многих переменных при наличии ограничений в виде равенств и неравенств; 2) программы расчета электронной структуры РЗ ионов с учетом л- и 15- смешивания; 3) прогр<^ш численного счета мультипольных моментов РЗ ионов, деформационной и магнитной восприимчивостей, интенсивностей г-г переходов, намагниченности и т. д. для разных направлений и величин магнитного поля в широком интервале температур.

Весь комплекс выполненных в работе исследований был направлен на решение следующих конкретных задач.- исследование магнитных фазовых диаграмм и доменных структур в областях метастабильности сильноанизотропных магнетиков;

- выяснение природы и закономерностей магнитоупругого взаимодействия в РЗ окисных соединениях (гранатах, фосфатах и ВТСП 1-2-3), особенностей упругих и структурных характеристик этих соединений:

- определение кристаллического поля низкосимметричного окружения РЗ иона;

- количественный анализ магнитооптических свойств РЗ кристаллов (магнитное линейное двупреломление, магнитный линейный дихроизм, аффект Зеемана).

Научная новизна и защищаемые результаты. Оригинальное направление исследований, выполненных в диссертационной работе, заключается в проведении количественного анализа магнитооптических, магнитоупругих, упругих и магнитных свойств РЗ соединений, обусловленных РЗ ионами, в рамках единого подхода, основанного на использовании имеющейся спектроскопической информации. В качестве объектов теоретического исследования были выбраны РЗ окисные соединения со структурами: граната, циркона и искаженного перовскита.

Конкретная научная новизна определяется следующими основными

результатами, выносимыми на защиту :

1. Развитие теории магнитооптических явлений в РЗ соединениях.

-Количественный анализ магнитооптических явлений: магнитного лилейного двупреломления «МЛДп) и магнитного линейного дихроизма I МЛД> в РЗ гранатах.

- Объяснение закономерности изменения МЛДп по ряду тяжелых КЗ ионов от тъ до Yb.

- Предсказание возможности реализации нового фазового перехода между антиферромагнитными фазами, обусловленными "induced atag-gered field- взаимодействием в Dy3A-£5o12, и его проявления в МЛДп.

- Теория МЛД в области г-г переходов в ферритах-гранатах. Получение информации о нецентросимметричном кристаллическом поле ДЛЯ ИОНа Yb3* В YbjFojOj2.

2. Развитие теории магнитоупругих явлений: магнитострикции, аномалий постоянных решетки, аномалий упругих модулей в РЗ окисных соединениях с низкой симметрией окружения РЗ иона (тетрагональной, орторомбической и моноклинной).

- Объяснение закономерностей магнитоупругого взаимодействия в РЗ парамагнитных гранатах и фосфатах, вклпчащее в себя определение магнитоупругих коэффициентов.

- Выявление природы магнитострикции в ВТСП 1-2-3 с РЗ ионами Dy, Но, Er, Тт и объяснение полевых, температурных и ориентацион-ных зависимостей магнитострикции.

- Установление неустойчивости решетки DyBa2Cu3o6<a в тетрагональной и орторомбической фазах относительно моноклинных искажений

XZ.

3.Создание высокоэффективной оптимизационной процедуры для случая многих переменных при наличии ограничений б виде равенств и неравенств, позволившей, в частности, определить кристаллические поля низкой симметрии, действующе па ионы тъ, Dy и Те в ортоалюминатах и ортоферрктах, из спектроскопических и магнитных данных, а также разработать соленоида оригинальных конструкций.

4.Построение магнитных фазовых диаграмм, расчет доменных структур в областях метастабильности л аномалий физических характеристик при ориентационных фаговых переходах первого я второго рода.

Научно - практическая энашшость результатов. Полученные результаты позволяют в с дню:,! подходе описать большую совокупность особенностей поведения магнитных, упругих, капштоупругих и маг-нитоонтичоских свойств РЗ соединешй (В частности, ВТСП 1-2-3). В рамках развитых в диссертации представлений объяснены многие экспериментальные результаты, ряд эффектов предсказан и впоследствии экспериментально обнаружен. Практическая ценность полученных результатов обусловлена бозмохность» эффективного управления физическими свойствами РЗ соединений с помощью внесшего магнитного поля, те.'шератури и разнообразных замещений в РЗ подсистеме, что особенно важно для реиения проблемы созда:шя магнитных материалов с заданными свойствами.

Те-о р-тические результаты диссертации использовались для объяснения имеицихся экспериментальных данных и послужили стимулом для новых исследований в Московском государственном университете. Институте общей физики Alt СССР, Сизико - техническом институте низких температур /Л УССР, Институте металлофизики АН УССР, Институте физики металлов УО АН СССР, Уральском политехническом институте, Московском авиационном институте, Институте высоких энергий и ряде других организаций.

Апробация работы. Основныо результаты исследований, представление в диссертации, докладывались и обсухдались на следующих ;;оп£оронциях, совещаниях к семинарах:

- Всесоюзные конференции по физике магнитных явлений (Донецк, 1977; Туда, 1SS-3; Донецк, 1985; Калинин, 1888; Ташкент, 1991)

- Международная конференция по магнетизму хсы 88 ( Парих, 19S3)

- Советско-польский се;сшар по исследованию f-электронных систем (Вильнюс, 1933)

- Международная конференция по материалам и механизмам сверхпроводимости высокотемпературных сверхпроводников (Стэнфорд, 1989; Каназава, 1991»

- Всесоюзная конференция по высокотемпературной сверхпроводимости (Киев, 1SQ9)

-Республиканский научный семинар "Физика ферритов и родственных им соединений" (Донецк, 1987, 1989)

- Всесоюзный симпозиум "Магнетизм редкоземельных соединений" (Москва, 19891

-Всесоазное совещание -Оптические свойства магнитных диэлектриков" (Киев, 1989)

- Сессия научного совета ЛИ СССР по проблеме "Ь'агнэтизм" (Алушта, 1991)

- Нездународпая конференция по высокотемпературной сверхпро-водшйэсти (Москва, 1991)

- Международный симпозиум по магнитооптике (Харьков, 1991»

Публикации. По теме диссертацш! опубликовано 60 печатных

работ, список основных публикаций (44) приводен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех частей ¡ содержащих соответственно четыре, одну и четыре главы), заключения, списка цитируемой'литературы и двух приложений. В девяти главах трех частей диссертации изложены оригинальные результаты. В начале каздой из глав обосновывается актуальность задачи и формулируется ее постановка, в заключении главы приводятся основные результаты и вывода.

Диссертация содержит 397 страниц малинописпого текста, включая 12 таблиц, 89 рисунков и список цитируемой литературы из 293 наименований. Приложения содержат 11 страниц текста и 2 рисунка.

Содержание работы Во введении обосновывается актуальность и выбор направления исследования, формулируются цель и задачи диссертационной работы, отмечается научная новизна и практическая ценность полученных результатов. Здесь же приводятся основные положения диссертация, Еыносимые на защиту, и дается краткая аннотация результатов.

-íacTb 1. МАГНИТНЫЕ ФАЗОВЫЕ ДИАГРАММУ И ДОМЕННЫЕ СТРУКТУРЫ СИЛЬНОАНИЗОТРОПНЫХ КРИСТАЛЛОВ. Создание материалов с улучшенными магнитными, механическими и другими свойствами часто требует сложных многоступенчатых обработок. Для исключения эмпирического подхода важно исследование фазовых диаграмм систем. Фазовые диаграммы отражают зависимость звойств кристаллов от термодинамических переменных и позволяют адентифицировать поверхности фазовых переходов, в нашем случае -)то ориентационные фазовые переходы (ОШ) первого или второго pola. ОФП первого рода можно рассматривать как последовательное про-

хождение системой метастабильных состояний. В области перехода система существенно неоднородна. В массивных образцах происходит образование и рост зародышей новой магнитной фазы. Ширина области метастабильных состояний определяется константами анизотропии высших порядков. Обычно наблюдаемое на опыте сужение области гистерезиса объясняется возникновением переходной доменной структуры. Первая часть диссертации и посвящена исследованию магнитных фазовых диаграмм и доменных структур в области метастабильности для широкого класса различных магнетиков.

Одной из наиболее интересных проблем переходов первого рода является проблема зародышеобразованич. Обычно его центрами слухгт разные неоднородности. При ОФП зародышами новой фазы могут служить магнитные неоднородности (доменные стенки) старой фазы. Нами была высказана идея о возникновении в области метастабильности при фазовом переходе первого рода доменной структуры нового типа. Так, в одноосном антиферромагнетике устойчивыми становятся 90* доменные границы мезду доменами "низкополевой" и -вцсокополевой" фаз; 180* доменные границы уширяются в окрестности пороговых полей, в центре их формируются зародыши новой фазы. Перемагничивание массивных антиферромагнетиков при этом должно происходить путем смещения 90" границ, причем сами 90* соседства должны появляться уже в области полей фазового перехода первого рода.

Глава 1.1 ФЕРРОМАГНЕТИК С ОСЬЮ АНИЗОТРОПИИ ВЫСОКОГО ПОРЯДКА.

Построена магнитная фазовая диаграмма ферромагнитных кристаллов с осью z симметрии четвертого и шестого порядков (РЗ металлы, Со, UnBii с учете« магнитного поля Н. При Н = 0 на диаграмме состояний в координатах Kj, К2, где К, и К2 - константы анизотропии второго и четвертого порядков, выделяется область состояний с конусом осей легкого намагничивания; рассчитанные кривые намагничивания в этой области сильно зависят от величины « = К2/К1. Вблизи границы между одноосным состоянием к состоянием с плоскостью легкого намагничивания (*=-1/2) лежит область неустойчивости кривых намагничивания (-i/2<*<-i/6i. В этой области вместо точки лабильности Н =2Kj(1-21*|í/Mq (Uq-номинальная намагниченность) имеется область метастабильных состояний в пространстве (Нх,Н2»: астроида критических полей изменяет свою топологию. Вне этой области сохраняется простая топология деформированной астроида.

Рассчитаны кривые намагничивания в области предсказываемого перехода первого рода для Н = Кх и доменная структура в области перехода. Исследуется механизм зародашеобразования новой фазы из доменных стенок старой фазы.

В этой же главе рассмотрена структура сингулярных частей тензоров магнитной восприимчивости и модулей упругости вблизи ОФП. Обсуждается влияние формы образца на возможность наблюдения аномалий физических величин, связанных с ОФП.

Глава 1.2 КУБИЧЕСКИЙ ФЕРРОМАГНЕТИК С НАВЕДЕННОЙ ОДНООСНОСТЫ).

Рассчитаны магнитные фазовыо диаграммы кубического ферромагнетика при учете наведенной одноосной магнитной анизотропии, ось легкого намагничивания которой направлена вдоль ребра куба (пленки ферритов-гранатов), для случая, когда магнитное поле приложено в плоскости грани куба. Полученные магнитные фазовые диаграммы обнаруживают область стабильности доменной структуры с разными типами доменов и доменных соседств. При разных соотношениях констант кубической и одноосной анизотропии возникают различные метастабиль-ные состояния; вычисляются интервалы полей существования этих состояний. Кривые намагничивания и петли гистерезиса заметно усложняются по сравнению с таковыми для однородных ферромагнитных сред кубической симметрии. Обсуждение зародашеобразования и устойчивости доменных стенок обнаруживает возможность появления новых механизмов перемагничившшя, обусловленных наведенной одноосной анизотропией.

Глава 1.3 РОМБИЧЕСКИЙ СЛАБЫЙ ФЕРРОМАГНЕТИК.

Рассмотрены возможный магнитные состояния ромбического слабого ферромагнетика типа редкоземельного ортоферрита или ортохроми-та, иг энение магнитного состояния с изменением температуры и механизм образования зародыша новой магнитной фазы из 180" доменной стенки при фазовом переходе первого рода. Рассчитаны д£-эффект для фазовых переходов первого и второго рода и тензор магнитной восприимчивости, связанной со смещением 90* доменных стенок.

Рассчитаны кривые вращающих моментов. В случае поля Н, приложенного вдоль естественной оси антиферромагнетизма, кривая вращающего момента имеет куполообразную форму. В случае произвольного направления Н в плоскости е.с зависимость вращаицего момента от поля рассчитана в приближения малости анизотропии спонтанной нама-

гниченности в плоскости ас. Это соответствует прсднэлотппо, что главным механизмом возникновения спонтанной намагниченности является антис.1ммотрцчноо обменное взаимодействие. При значениях шля, больших характерных "полей анизотропии- НЛ, вращающий момент возрастает пропорционально Н из-за анизотротгл спонтанной намагниченности В ПЛОСКОСТИ ас.

Проанализированы результаты эксперимента, позволяющие выявить тонкие эффекты, связанные с малой анизотропией величины сла-боферромапштиого момента, в частности, эффект отхода слабоферромагнитного момента от направления поля в достаточно сильных магнитных полях. Оценен вклад, вносимый одноконной анизотропией в фор-мнрованпе слабофсрромапштного момента (~3х) на фоне доминирующего вклада от антисимметричного обмана.

Глава 1.4 ЫЕТАМАГНЕТИЗМ ОДНООСНЫХ АНТИФЕРРОМАГНЕТИКОВ.

Рассмотрены магаитные фазовые диаграммы, кртзыэ иамагничива-Ш1я и доменные структуры одноосного двухподреезточного метамагпе-тика (модель пригодная для исследования свойств сплавов и соединений РЗ элементов, а также многих слоистых соединений) при учете магнитостатической анергии. Исследуется проблема зародышеобразова-1шя при метамапштном фазовом переходе первого рода. Результаты сравниваются с имеющимися экспериментальными данными.

В этой ко главе проанализированы результаты измерепий магни-тострикцни, с помощью которых исследован индуцированный внешнем мяпштным полем котамагнитный фазовый переход в монокристалла са3мп2со3оп. Необычные фазовые диаграммы в плоскостях (001) и (010), характеризующиеся большой анизотропией и разным числом фазовых переходов для разных направлений, описываются моделью анизотропного мотамагпотика с четырьмя локальными осями анизотропии.

ЧАСТЬ 2. ОБРАТНЫЕ ЗАДАЧИ ФИЗИКИ МАГНИТНЫХ ЯВЛЕНИИ.

Феноменологические теории обладают излишней экстраполяционной ежостью, и поэтому их использование часто не позволяет выявить конкретные механизмы взаимодействий н явлений. При низких температурах озш на годятся вообце, нужен другой подход, который требует разработки не только физических моделей, но и численных методов.

Свойства РЗ соединений, особенно при низких температурах, в значительной стэпени определяется электронной структурой РЗ иона.

-и-

которая формируется в основном ого взаимодействием с кристалличо-ским окружением I кристаллическое пола). В настоящее время чаде всего гзмильтокиан кристаллического поля <КП> записиваотся в параметризованном Еиде через неприводимые тензорные оператора Ск, преимуществом которого является правильное описание амлетрии кристаллического окружения РЗ иена (см. напр. [2)1

При этом параметру КП в* рассматриваются в качество феноменологических постоянных, значения которых следует определять из всей имеющейся совокупности экспериментальных данных, несущих информацию об электренной структуре РЗ нона. Обычно используются данные по ш'1'аркоЕскому расщеплению мультиплетов, известные из спектров поглощения, флуоресценции, рамановского рассеяния, а также дацще ЗПР, магнитооптических явлений, магнитных измерений и т. д. Следует отметить, что никакая достоверная информация не мокет Сыть излишней вследствие существегаюй нелинейности получающейся обратной задачи ¡3). В качестве определяемых из условия наилучшего совладения экспериментальных данных и рассчитанных значений могут фигурп-ровать, вообще говоря, любые параметры рассматриваемой физической системы.

Оптимизационная процедура, используемая для репенил такой обратной задачи, дол:я:а удовлетворять определенным критериям, поскольку обратная задача является некорректной (по Тихонову) [-11 из-за использования экспериментальных данных, определенных с некоторыми погрешностями. Во-первых, оптимизационная процедура долзиа быть нулевого порядка, т.е. в целевую Функцию не должны входить производные по определяемым велгатам, для устранения воз;."окгшх расходпмостей при численном дифференцировании. Во-вторых, оптимизационная процедура дол:<на отыскивать услоЕНие экстремума целевой функции, т.е. экстремумы с условием выполн9Ш!я некоторых ограничений. К числу таких ограничений может откоситься выделение компакта, т.е. ограниченного множества значений определяемых переменных. В частности в этом состоит метод регуляризации для некорректных обратных задач по Тихонову, при котором используется вся имеющаяся информация, априорная относительно используемой в оптимизации. При определении кристаллгтского поля удгбюм и успеа:по используе-

шм даке в случаях очень низкой (моноклинной) симметрии (51 способом выделения компакта является принцип понижения симметрии (descending symmetry technique) [61, в котором КП рассматривается как сконструированное из компонент понижающейся симметрии. Кроме этого, процедура долхна быть максимально эффективной и работоспособной. Всем перечисленным критериям удовлетворяет изложенная в этой части диссертации оптимизационная процедура flex, в которой используется эффективный метод скользящего допуска в совокупности с алгоритмом деформируемого многогранника (алгоритм Нелдера - Мида> [71.

В процессе оптимизации мы решаем обратную задачу путем нахождения такого решения прямой задачи х, которому соответствует невязка, не превышающая погрешности ь входных данных и.

и « и - RB , где m - число точек экспериментальных массивов, участвующих в функции цели при оптимизации; <5 = < еЕ , ¿ю, гДп и

т. д.»,- А - оператор, переводящий элементы л в элементы пространства и.

Выделение компакта X и в определенном смысле регуляризация задачи производится при учете в (2) положительно определенного функционала над множеством функций, задающих ограничения на х, следующие из дополнительной, априорной по отношению к процессу поиска, информации. Вследствие разнообразия экспериментальной информации и оператор А является слокным нелинейным оператором, для которого невозможно найти аналитического выражения для производных. По этой причине мы используем оптимизационную процедуру нулевого порядка, что позволяет не усугублять некорректность обратной задачи. Апробация полученных решений на устойчивость производится при численном эксперименте, который состоит в повторных решениях оптимизационной задачи для входных данных, разбросанных в пределах погрешности.

В части 2 приведены примеры использования процедуры flex для определения различных физических параметров разных систем. Определены эффективные константы анизотропного и изотропного обмена между ионами Gd и Fe в ортоферрите гадолиния. Найдены константы

II кх - U ||ц < 6 \ , д- 6 X a Rn ,

, (21 u = ( Ех, т(Н,Т), Дп(Н,Т), И Т.Д.)

анизотропии KFe, К2 и обменные параметры нс и хр для ортофоррита диспрозия- Угловые зависимости вращавдего момента, измените при различных значениях внешнего магнитного поля и температуры, и температурная зависимость порогового поля вдоль оси а, вызывающего переориентацию слабоферромагнитг.зго момента к этой оси, использованы для определения параметров магнитных взаимодействий в орто-хромите гадолиния. Найдены, в частности, параметры изотропной и анизотропной частей гамильтониана взаимодействия Cd-Cr, которс; играет вазяу» роль в форсировании магнитных свойств сисго3. Для еггео^ процедура flex была использована для количественного описания обнаруженных новых ОШ в магнитном поло ниже точки кс\г:енса-ции. При интерпретащш всей совокупности фазс-.ых дизгр:' м ErFeO-j в двухдублетной модели сказалось возможным определить в-тс.;зоры дублетов и эффективные обменные поля, вызывающие расщепление.

ЧАСТЬ 3. ЭФФЕКТЫ КГЛСТАЛЛИЧЕСКОГО ПОЛЯ В РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ MATHETlCiAX.

В РЗ окисных соединениях магнитооптические и магпитоупругае явления во многом определяйся кристаллическим полем, формиругщим электронную структуру РЗ иона.

ВЦ] было показано, что тип основного состояния РЗ нона определяет актуальные для рассматриваемого явления члены в гамильто-ниапе, записанном из симметричных соображений. Рассмотрение в рамках теории возмущеннл позволило описать характернее полегло и тем-поратурныо зависимости для некоторых магнитооптнч-.ских и магнито-упругих эф£ектов. Однако, для объяснения ориентационных згвпспмос-тей, а также закономерностей изменения магнитооптических и магки-тоуг.ругих явлений по ряду РЗ ионов необходимо рассчитывать характеристики РЗ ::энэ, используя в качестве базиса как {мум основной мультишют, для чего необходим более полный учет к/ззацейся спектроскопической информации.

Известное из оСшгрних спектроскопических ксслздсва^й КП дает возмсзаюсть рассч;:гать характеристики РЗ иона: ипдушгровань-ые магнитны:.! полем добавкг к квадруполънкм моментам, котсри-э спределяг/г магнитострикцию и магнитное линейное двупрелсмление; т^мперат/гные зависимости квадрупольных моментов, которые определяют ансм^с,; теплового расширения; деформационные воспр^дгтивости, кстсрыэ оп-

ределяют низкотемпературное поведение упругих модулей. Расчеты этих величин позволяют выделить ту часть рассматриваемого явления, за которую ответственны индивидуальные свойства F3 иона.

Глава 3.1 РРдаоЗЕМЕЛЪШЕ СОЕДШЕНШ СО СТРУКТУРОЙ ГРАНАТА.

РЗ соодинзния со структурой граната имеют общую формулу R3U5°12' ГДЭ R ~ Р0ДКаЯ seMJli5 иж ИТТрИЙ, U - AL, Ga, Fe И Т.Д. РЗ гранаты являясь кубическими соединениями, обладают сложной структурой, в которой РЗ ионы размещены по шести мостам, локальная симметрия которых описывается точечной группой 222 и которыо различаются ориентацией локальных осей симметрии. Свойства галлатов и алюминатов в значительной степени определяются действием КП на РЗ ион, которое по величине намного сильнее R-R взаимодействия. Это делает гранаты удобными модельными объектами физ;с:и магнитных яв-лоний.

Раздел 3.1.1. Магнитное линейное двупреломлэше <ШЩп) в РЗ кристаллах, подобно двухфэтонному поглощению, рамановскому рассеянию и другие двухфотонным процессам, может быть описано во втором порядке тоорни возмущоний в рамках теории Крамерса [8] через тензор поляризуемости РЗ иона. Двухфотонные процессы связаны с переходами с основной конф-лгурации 4fN на возбуждены:jo конфэтурации противоположной четности 4fN-15d и т.д. Приближение Д:иа.дда 19] и Одельта 110 ] дает возможность анализировать эти процессы в терминах актуальных комбинаций неприводимых тензорных операторов первого и второго ранга, действующих на состояния только основной кон-iлгурации. Справедливость приближения Дкадца-Офельта априори но очевидна и должна тщательно проверяться для каждого РЗ иона. Такого рода провергл известны в литературе. Цилыо дачной главы, в частности, является продемонстрировать, что теоретический анализ измерений МЛДп в РЗ соединениях представляет собой чувствительный метод исследования адекватности этого приближения. Парамагнитные гранаты являются подходящими объектами для этой цели, поскольку КП, действующее на 4f электроны, достаточно хорошо известно для большинства РЗ иолов ill).

Приблике1дш Дкадда-Офельта оказалось достаточным для описания совокупности данных по МЛДп (знака, анизотропии, цодавух и температурных зависимостей) дня гранатов с ионами тъ, Dy, Ер, Тш в пределах экспериментальных ошибок (на Рис.1 в качестве примера

z

Г

z

Рис.1

о

J Bl-W /

Полевые зависимости относительных во-

ЛИЧ1Ш МДДп 6

ДЛЯ ТЬАС при 4.2 К. X = 0.63 MKM, кх(ИО). На вставке - кривые намагничивания. Эксперимент: +++ - Н J [ГШ; AAA -Нй (ПО); ••• - н a looil;

теория - сплошные кривые.

о

г

4 В1Ч

приведены результаты для ть3А15о12*. Случаи гранатов с ионами Но и Yb требуют выхода за рамки приближения Джадда-Сфельта. При этом электронная структура возбужденных конфигураций 4f"_15d<e» рассматривалась в виде набора термов, получошшх в приближении генеалогической схемы. Анализ проблемы знака МЛДп с использованием по-лучешшх выражений показал, что разрепешше переходы на наиболее низколекащке термы, хэрактеризукздеся основным актуальным исходным термом, дают правильный знак ШЩп для гранатов, содержащих как ионы ть, Dy. Ег, та, так и ионы Но. Таким образом, знак ШЩп голь-Ш19вых гранатов удается объяснить на основе Еыхода за рамки приближения Дхадда-Офельта. Для иона Yb учет расцепления 4fN-15d(д) конфигураций не приводит к решению проблемы знака. По-видимому, в случае иттербиевых гранатов необходимо учесть влияние возбузденных конфигураций nd94fN4-1 (n-3,t). Об этом свидетельствует и проведеи-ноэ исследование анизотропии МЛДп для иттербиевых гранатов. Было показано, что учет расщепления возбувденной конфигурации 4fM~l5d • за счет КП приводит к несущественным поправкам, которые не могут быть ответственными за наблидаемуп анизотропию эффекта.

В главе 3.1 также исследованы ШЩп и фазовая диаграмма DyjAljOjg (DyAG). DyAG ПрИ Т < TN = 2.52 К ЯВЛЯ9ТСЯ ЯЗИНГОВСКИМ

антифзрромагнвтиком с многоподрешеточной неколлинеарной магнитной

структурой И "Induced staggered field" ВЗаИМОДвЙСТВИвМ. ДВ9 В03М0-жные антиферромагнитные фазы А+ и А" в поле Н||(111) реализуются как результат конкуренции двух механизмов : механизма КП и СВ

механизма, связанного с различной энергией спиновых возбуждений в этих фазах. СВ всегда стабилизирует фазу А*. Наши вычисления показали, что КП стабилизирует фазу А", и никогда фазу А+. При понижении температуры СВ вымораживается, и должен происходить фазовый переход А+ А" при Т % 1.3 К.

Очень важная информация о магнитной структуре и фазовых переходах может быть получена при исследовании МДЦп. Для описания полевой зависимости МЛДп, измеренной в (12) при Т=1.35 К и НЦИШ, были рассчитаны численно полевые зависимости квадрупольных моментов ионов Ьу3*. Полученная в результате зависимость дп<ш хорошо согласуется с экспериментальной для фазы А*, которая реализуется в РуАС при Т = 1.35 К (Рис.2). Ниже 1.3 К должно происходить измене-

Рис.2

4-с '*п Полевая зависимость МЛДп при

Т=1.35 К, Н II (111) для кристалла Пу3А15о12. Сплошная кривая -дп(Н), измеренное в 1121, штриховая кривая - дп(Н), вычисленное для фазы А+, точечная кривая -Дп(Н), вычисленное для фазы А~.

ние знака ЫДЦп в полях, меньших поля метамагнитного перехода, как результат фазового перехода А** А~.

В разделе 3.1.2 исследована анизотропия эффекта Зеемана иона тъ3+ в парамагнитных гранатах. Произведена интерпретация спектров поглощения линейно-поляризованного света в магнитном поле до 20 кэ, которые позволили впервые наблюдать эффект Зеемана для ионов ть3+, находящихся в отдельных неэквивалентных позициях в алшинате- и галлате-гранате. Из полевой зависимости расщепления основного квазидублета определены компоненты ¿—тензора и величина расщепления кристаллическим полем. Показано, что эффект Зеемана имеет сильно анизотрошшй характер, что свидетельствует об изинго-вском поведении ион? ть3+ в структуре граната. Численный анализ на основе гамильтониана, включающего взаимодействие иона РЗ с КП и магнитным полем, позволяет хорошо описать наблюдаемую зависимость расщепления основного квазипублета иона тъ3+ от действующего маг-пи.гюго поля для основгшх кристаллографических направлений.

Раздел 3.1.3 посвящен изучению анизотропии магнитного ликей-ного дихроизма в области полосы поглощения 2р7/2 ~ 2р5/2 иона уь3* в уь3Ге5о12. Для больпшнства РЗ ионов в парамагнитных гранатах четная составляющая ЮТ, ответственная за расщепление мультип-летов на отдельные штарковские уровни, считается хорошо установленной. В ферритах - гранатах КП известно плохо. Чаще всего оно полагается равным КП для РЗ иона в парамагнитных галлатах-гранатах. Нечетная составляющая КП в гранатах, ответственная за снятие запрета по четности для г-г электродиполъных переходов, практически неизвестна.

Ион уь3+ характеризуется самой простой электронной конфигурацией в ряду РЗ ионов и, казалось бы, описание его физических сеойств должно быть наиболее простым. Однако известно, например, что во всех парамагнитных гранатах параметры четного КП для иона уь3+ отличаются от непрерывно меняющихся по ряду РЗ ионов параметров КП. Кроме того, неочевидно, справедливо ли приближение Дхадда - Офельта, которое состоит в предположении о полном вырождении возбужденных конфигураций и которое обычно используется для описания г-г спектров , в случае иона уь3*, поскольку установлено, что это приближение, широко используемое также в теории двухфотснных процессов, для иона уъ3+ не работает (см. раздел 3.1.1).

При переборе всех возможных вариантов идентификации линдй спектра из условий наилучшего совпадения экспериментальных и теоретических значений энергий переходов были определены величины обмэнных расцеплений, которые свидетельствуют о существенной анизотропии Уъ-Ге обменного взаимодействия.

Получены выражения для интенсивностей линий для структуры граната, которые позволяют из сравнения их с экспериментальными значениями найти параметры нечетного КП и в электроддпсльнсм приближении количественно объяснить МЧД иона уь3+ в уь,Ре5о12. Это свидетельствует о применимости приближения Джадда-ОЯельтз для интерпретации г-г спектров иона уь3*.

Весьма существенным представляется вывод о том, что спектры МЛД более чувствительны к параметре.« четного КП, чем, обменные расщепления штарковских уровней.

Раздел 3.1.4. Магяитеупругие свойства.

Мзгнлтоупругиа явления (магнятостряхция (МО), аночалк

метров решетш! и упругих модулей) представляют богатейший материал для получения информации об особенностях взаимодействия РЗ иона с его кристаллическим окружением. Основная трудность при теоретических исследованиях магнитоупругих явлений - это вычисление магни-тоупругих постоянных. Полумикросхоппческий подход, развиваемый в работах Малкика с сотрудниками 1131, наиболее последователен, но сильно затруднен для сложных кристаллических структур из-за отсутствия информации о большом числе необходимых параметров. Чаще магнитоупругие постоянные рассматриваются как феноменологические константы, определяемые из сравнения с экспериментальными данными.

В данном разделе продемонстрировано, что полуколичествешшй анализ маиштострикщгн, в котором вычисляются квадрупольные моменты РЗ ионов с учетом всего основного мультиплета, позволяет объяснить закономерности изменения величины и знака МС по ряду тяжелых РЗ иоков и при переходе от алюминатов к галлатам, анизотропию МС для каждого соединения, наблюдаемые аномалии параметра кристаллической решетки. При этом показано, что разнообразие магнитоупругих свойств РЗ гранатов связано с разной "реакцией" электронной структуры РЗ иона на внешнее магнитное поле и изменение температуры.

Путем прямого вычисления мультипольных моментов всех порядков по известному КП обосновано квадрупольное приближение для одноион-ного магнитоупругого гамильтониана, поскольку индуцированные магнитны),» поле!.; мультипольные моменты четвертого и шестого порядков значительно меньше квадрупольных.

Анализ числового материала и сравнение его с экспериментальными данными показал, что во всех случаях большой МС оказываются ".ошширущиш магнитоупругие коэффициенты В44 и В5&, поскольку ;<ДОХ2> и <АОу2> значительно превышают все остальные компоненты. Сопоставление теоретического и экспериментального материала позволило найти набор эффективных магнитоупругих коэффициентов, общий для всех исследованных гранатов, который в основном отражает закономерности МС исследованных гранатов (Ркс.З).

Провэдена интерпретация различия изменения ШЩп и МС по ряд/ РЗ ионов.

Расчет температурных зависимостей квадрупольных моментов РЗ ион,>з позволил объяснить наблюдаемые для некоторых гранатов откло-

■ ¡00

50

Рис.3

Изменение интегральной магнитострикции при 4.2 К в поле 4 Тл для rgg и rag по ряду РЗ ионов. Закрашенные (rgg> и неза-у,ур»ное, тт . крашенные (rag ) крукки - эксперименталь-

wть^ ^ ные данные. Сплошные (rggj и штриховые

1 j\ (rag) лиши - теоретические вычисления.

\

Ы Tb Dv U001

- 5С

Uy 1---' •

• Ho Er Tb Yb

юния температурных зависимостей параметра решетки от закона Дэ-¡ая. Весьма интересно, что аномалии параметра решетки и МС грзна-'ов слабо коррелируют друг с другом, хотя за оба этй эффекта от-ютствонно мапштоупругое взаимодействие. Так, например, МС |у3Са5о12 является наибольшей, а параметр - решетки наблюдаемых июмалий не имгет. В то же время диспрозиевый атасшат, ис которо-•о б 4-5 раз мегыпе, чем у Бу3Са5о12, обнаруживает значительное юзрастание параметра р-зшетки при низких тешературах. Зто объясняется разной зависимостью квадруполкшх мо>.:?нтоз от температуры ц ¡несшего поля.

Глава 3.2 РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ ФОСФАТЫ СО СТРУКТУРОЙ НЦРКСКА.

РЗ фосфаты относятся к классу интенсивно исс^одуемых ян-'еллеровских (ЯТ) эластиков со структурой циркона с сс~еа формулой хо4, где к - РЗ ион, а х - ион v, аз или р. для большого числа сединений этого класса обнаружено более или менее сильное ЯТ вза-модеЯствие. Наименее изучены РЗ фосфаты, в которых локальная сям-етрия окружения РЗ иона является тетрагональной (точечная симж-т-

-го-

рня 4т2), как и симметрия всего кристалла (пространственная симметрия 141/апх1). Этим фосфаты выгодно отличаются от РЗ гранатов, где локальная симметрия окружения РЗ иона орторомбическая, а весь кристалл кубический.

В данной глаье исследовался вклад магнитоупругого взаимодействия в упругие и структурные характеристики РЗ фосфатов как при наличии, так и в отсутствие ЯТ корреляций. Как показали экспериментальные исследовать, ряд РЗ фосфатов с тяжелыми РЗ ионами от ть до уь разделяется на две группы в зависимости от величины ЯТ корреляций: тьро4 является реальным ЯТ эластиком со структурным фазовым переходом, Тиро4 - виртуальным, остальные фосфаты образуют группу соединений, для которых ЯТ корреляции не столь существенны.

РЗ вклад в тепловое расширение определяется квадрупольным моментом РЗ иона. Температурная зависимость вкладов РЗ ионов в параметры решетки повторяет температурную зависимость квадруполь-нэго момента, вычисленного для известных электронных структур РЗ ионов в фосфатах (Рис.4,5). Магнитоупругие коэффициенты вл1 и в°2,

50

Дд/й,7<Г

„0° о" - „о® о

ад

150

210 Т,К

КО

Рис.4

Температурные зависимости относительных параметров да/а тетрагональной элементарной ячейки РЗ фосфатов:

1 - ТЬРО

3 - НоРО.

4

5 - ТтРО,

4'

2 - ОуРО 4 - ЕгРО^, 6 - УЬРО

4'

4'

250 Т,К

оцененные из аномалий теплового расширения, различаются по ряду РЗ <5~сфатов не более, чем в 2-3 раза.

о

-А

-Ча,1^2 25 г

2

О

50 100

~ ; ------;—

150 200 250 Т, К

Рис.5. Рассчитанные температурные зависимости квадрупольного момента о0 РЗ фосфатов: 1 - тьро4, 2 - иур04, 3 - нор04, 4 - Егр04. 5 - твр04. 6 - уър04.

Вклад магнитоупругого взаимодействия в температурную зависимость упругих постоянных сц может быть выражен через деформационные восприимчивости х^, которые описываго1 реакцию электронной структуры на деформацию:

где в^ - магнитоупругий коэффициент, к" - постоянная ян-геллеровских корреляций, ц = а, у, 6, с. Все деформационные вос-триимчивости являются по определению положителышш! величинами, юэтому магнитоупругое взаимодействие, как и парное квадрупольное, зсегда смягчает решетку, т.е. уменьшает модуль Юнга. Конкретный зид температурной зависимости модуля Юнга определяется соотношени->м величин различных деформационных восприимчивостей данного РЗ юединения и характером их температурных зависимостей, которые !или численно рассчитаны для известных КП.

В отсутствие ЯТ корреляций определяющую роль в магнитоупру-•ой поправке к модулю Юнга играют деформационные восприимчивости а(Т), которые определяют перенормировку упругих постоянных, свя-■ энных с изотропной деформацией са1 и тетрагональной еа2, а вели-'пяу аномалий модуля Юнга удовлетворительно описываются магнпто-

с" = - <в">2

(3)

и

упругими коэффициентами В01 и В°2, определенным из теплового расширения. При наличии ЯТ корреляций (Тьро4. ттР04) результирующее поведение модуля Гнга определяется соответствующей корреляционно усиленной деформационной восприимчивостью : х6 для ттр04 и * (возможно также и *в) для търо4.

Глава 3.3 РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ СО СТРУКТУРОЙ ИСКАЖЕННОГО ПЕРОВСКИТА.

В настоящее время представляется нереальным произвести адекватный микроскопический расчет КП, действующего на РЗ ион в соединениях с низкой симметрией локальных мест, с учетом эффектов кова-лентности, экранировки и т.д. В то же время уровень современных экспериментальных работ по магнитным и магнитоупругим свойствам РЗ соединений требует для интерпретации результатов знания электронной структуры РЗ ионов в этих соединениях. Решение обратной спектроскопической задачи может дать нужную информацию о волновых функциях РЗ иона только в том случае, когда обрабатываемые экспериментальные данные включают результаты, например, магнитных измерений, идентифицирующие систему координат, в которой определяется КП. Это тем более важно для такой низкой локальной симметрии как моноклинная.

Данная глава посвящена определению КП , действующего на РЗ ион в соединениях со структурой искаженного перовскита, которое характеризуется симметрией са с 15 параметрами КП. Отметим, что для разбавленных ортоалюминатов существуют работы, в которых определены параметры КП по спектроскопическим данным. Однако, поскольку они определены в системе координат, повернутой относительно кристаллографической на неизвестный угол, они не содержат достоверной информации о волновых функциях состояний.

Определены параметры КП для тьаю3 из экспериментальных данных по восприимчивости с учетом ряда особенностей спектра и волновых функций иона тъ3*, который при низких температурах можно рассматривать как изинговский с осью анизотропии, лежащей в плоскости аь кристалла под углом 36" к оси а. Найденные параметры КП хорошо описывают температу] ) зависимости восприимчивости вдоль кристаллографических осей.

Для определения 15 параметров КП для иона ву3* в 0уА103 использовались известные спектроскопические данные для основного и

возбузденных мультиплстов и значения в-тензсра основного дублета, а также температурные зависимости восприимчивости вдоль осей. Известное из КП основное состояние иона Бу3+ позволило проанализировать сложное метамагнитное поведение юуАЮд, магнитная структура которого представляет собой четыре подрешетки, образующие крест, ниже тм = 3.52 К и оценить параметры взаимодействия Ву - Бу. Теоретические кривые намагничивания достаточно хорошо совпадают с экспериментальными.

Весьма интересно, что определенные из экспериментов величины максимальной МС в парамагнитной области для ИуАЮ^ гораздо меньше (з 4-5 раз), чем для ву3А15о12. В качестве возможных причин этого обсуждались следующие: 1) существование скрытых смещений, уменьшающих наблюдаемую деформацию, в структуре перовскита, в отличие от структуры граната; и 2) меньше величины электрон- деформационного взаимодействия. Полученное КП позволило рассчитать электронную структуру основного мультиплета и вычислить квадрупольные моменты иона , которые определяют МС (см. раздел 3.1.4). Окезалось, что как и для иона Ву3+ в структуре граната < 1)у3Л1со12) наибольшей величиной характеризуется компонента <доу2>. Принимая во внимание

расположение ионоз 1)у3+ в .структуре перовскита, была предложена гпокотрия опыта, которая поззолила бы выявить максимальную величину МС для БуАЮд. Последующие измерения показали, что макс::мяльная величина МС ОуАЮ3 оказывается не меньаей, чем для Ву3м5о12, т.е. возможные максимальные величины МС для рассматриваемого РЗ иена одинаковы в структурах граната и пэровскита.

В этой главе приведены также параметра КП, действующего на ион ти3+ в тшГоо3, определенные из известных расщеплений четырех мультиплетов иона Тт3+ в этом соединении и температурных зависимостей б.сприимчивости вдоль кристаллографических осей.

Глава 3.4 РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ ИОНЫ В ВТСП 1-2-3.

Исследование магнитоупругих СВОЙСТВ ИВа^и^О^ (НЕаСиО") , которому посвящена данная глава, показывает, что магшггострякция этих соединений может быть успешно интерпретирована в одноискной модели. При этом ее величина, анизотропия и другие характерные черты определяются электронной структурой РЗ иона, который находится в ВТСП 1-2-3 в низкосимметричном окружении кислорода (точечная груша п2ь). Для соединений НоВаСиО и СуВаСио КП, действующее на

РЗ исш, известно из работ по неупругому рассеянию нейтронов. Исходя из близости параметров КЛ по ряду 1?ваСио удалось определить параметры КП в случае ионов Ег и Тт с использованием данных по ноупругому рассеянии нейтронов.

Вычисленные по известному КП температурные и полевые зависимости квздрулолыгых компонент позволили объяснить характер поведения КС и теневого расширения этих соединений. Примечательной чертой полевых зависимостей МС для РВаСиО с ионами Пу, 1Ь и Ег является отсутствие насыщения в сильных магнитных полях, что связано с отсутствием насыщения соответствующих комбинаций квадрупольных компонент РЗ нона. Анализ всех допускаемых симметрией квадрупольных компонент 4г оболочки РЗ иона позволяет произвести интерпретацию экспериментальных данных и для поликристаллов путем выделения их актуальных комбинаций, поскольку некоторые из них малы, а другие характеризуются•близкими полевыми и температурными зависимостями. Удается объяснить также некоторые тонкие особенности МС, например, уменьшение МС при температурах меньших гелиевых для

НоЗаСиО.

Для ВуЕаСиО исследована магнитострикция, которая характеризуется сильтюанизотропным поведением, немонотонной температурной зависимостью для И II ь и другими интересными особенностям". Сравнение с экспериментальными результатами для монокристалла позволило оценить характерные комбинации мапштоупругих коэффициентов и упругих податлпвостей.

Проанализироваш особенности элоктрон-деформационного взаимодействия при исследовании упругих свойств орторомбической и тетрагональной модификаций ЮуВаСио. Показано, что темпер :урную зависимость упругого модуля (Рис.6) определяет деформационная восприимчивость х£, которая растет с понижением температуры для обеих модификаций БуВаСио (Рис.7) (см. ф-лу (3)). Это означает неустойчивость кристаллической решетки этого соединения в обеих фазах относительно моноклинных деформаций хг, которая может привести к структурному фазовому переходу с понижением симметрии до моноклинной при температурах ниже гелиевых.

Е(Т)/Е-1, 10"

-х„. 10"4 к"1

0 40 80 Т, К

Рис.6. Зависимость от тем-:ературы относительного изменена модуля Шга Е(Т)/Е-1 керами-еских образцов DyBa2Cu306<.i - 6 = 0.3; 2 - б = 0.9.

О 100 200 Т, К Рис.7. Рассчитанные температурные зависимости различных деформационных восприимчиво с те Я для тетрагонального (сплошные линии) и орторомби-ческого (пунктир) DyEa2Cu306+¿ Г 1 - V 2 - * , 3 - *6. 4 - V

пршшенля

В приложениях описаны соленоида оригинальных конструкций, при асчете которых продемонстрированы достоинства оптимизационной роцедуры flex. 1. Продольный соленоид для создания внсоксоднород-ого магнитного поля на возможно более протяженном участке. 2. оперечный магнит - устройство, позволяющее зз счет оптимальной онфигурации получить максимальную величину магнитного поля при аданной площади поперечного сечения обмотки, повысить однород-ость поля в рабочей зоне и устранить значительное превышение ве-ичины поля в теле обмотки над полем в рабочей зоне (что важно в лучае сверхпроводящих магнитов).

ОСНОЕНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ и ВЫВОДЫ Основной результат диссертащш заключается в объяснении зако-эмерностей физических свойств РЗ соединегпй, за которые ответст-

вешо кристаллическое поле.

1. Показано, что теория магнитного линейного двупреломления при использовании известного кристаллического поля в приближении, когда возбужденные конфигурации считаются полностью вырожденными (приближение Джадда- Офельта, широко используемое в теории двухфо-тонных процессов), может успешно объяснить знак и анизотропию эффекта (одновременно и полевые и температурные зависимости) для РЗ парамагнитных гранатов в случае ионов ть, оу, ег и Тш. Для гольми-евых гранатов учет расщепления возбужденных конфигураций 4гм-15а.(в) на термы приводит к правильному знаку эффекта. Доказаны существование нового фазового перехода между антиферромагнитными фазами в Бу3А15о12 в области антиферромагнитного упорядочения и возможность его идентификации при измерении магнитного линейного двупреломления,

2. Получены общие выражения для интенсивностей поляризованных {-{ спектров для структуры граната, на основе которых показано, что магнитный линейный дихроизм РЗ подсистемы в уь3Ре5о12 может быть описан в рамках приближения Джадда-Офельта. Определены значения пяти параметров, характеризующих нецентросимметричное кристаллическое поле, которые определяют интенсивности поляризованных т-{ спектров иона уь3+ в УЪ3Ре5о12 и позволяют рассчитать спектр для любого направления намагниченности и произвольной поляризации. Показано, что спектры магнитного линейного дихроизма более чувствительны к параметрам четного кристаллического поля, чем обменные расщепления.

3. Объяснены закономерности изменения знака, величины и анизотропии магнитострикции для РЗ парамагнитных гранатов по ряду тяжелых РЗ ионов. Установлена адекватность квадруполыюго приближения для одноионного магнитоупругого гамильтониана и получены выражения для продольной и поперечной магнитострккщш при различных направлениях поля для РЗ гранатов и ВТСП 1-2-3. Показано, что главную роль играют магнитоупругие коэффициенты В44 и ВБ5, поскольку <ао > и <ло > значительно превышают все остальные компоненты. Найден набор эффективных магштоупругих коэффициентов, общий для всех исследованных гранатов. Показано, что магнитострик-ция ВТСП 1-2-3 с ионами 1)у, Но и Ег имеет одноиошшй характер.

4. Выявлены низкотемпературные аномалии параметров кристэлли-

ческой решетки в РЗ гранатах и РЗ фосфатах, которые определяются характером температурных зависимостей квадрупольных моментов РЗ ионов, зависящих от электронной структуры конкретного РЗ нона. Для РЗ фосфатов оценены магнитоупругие коэффициенты В"1 и В"2, которые по ряду РЗ ионов различаются не более, чем в 2-3 раза.

5. Проанализирован вклад магнктоупругого взаимодействия в упругие характеристики РЗ фосфатов как при наличии, так и в отсутствие ян-теллеровсюгх корреляций. Получены выражения для деформационных Еосприимчивостей, определяющих вклад РЗ подсистемы в температурные зависимости упругих модулей. Оценена величина ян-голлеровскнх корреляций, описнвае!,щх через парный квадрупольный гамильтониан в приближении молекулярного шля, для виртуального

эластика ТтРО..

4

Показано, что и тетрагональная, и орторомбическая фазы >уВа2Си3об+б при понижении температуры характеризуются неустойчивостью кристаллической решетки относительно моноклинных искажений ст, из чего следует возможность структурного фазового перехода с юнтасепкем сгсгмзтрии до моноклинной.

6. Определены параметры кристаллического поля с, симметрии для ионов тъ3+, цу3* в ортоалзгяшатах и для иона Тт3+ в ортоферри-ге кз имеющейся спектроскопической информации и температурных зависимостей восприимчивости вдоль крнсталлогр?ф1ческих осей. Ид-зк-гифнкацпя системы координат, в которой определено кристаллическое толе, позволяет получить достоверную информацию о волновых функциях РЗ ионов. Вычисленные по известным волновым функциям квадру-юльше моменты иона Оу3+ позволили показать, что максимальное шачениэ магнитострикции, обусловленной РЗ подсистемой, для струк-суры перовскпта не меньше, чем для структуры граната.

7. Разработана высокоэффективная оптимизационная процедура оглевого порядка, учитывающая разнообразные ограничения в виде завенств и неравенств, что позволяет с целью регуляризации задачи учитывать всю дополнительную, априорную по отношению к процессу гоиска, информацию. Достоинства оптимизационной процедуры проде-кэнстрированы при определении разнообразных физических параметров >3 соединений.

8. Исследованы магнитные фазовые диаграмм ферромагнетика с >сью симметрии высокого порядка, кубического феггомагнетжа с на-

ведешюй одноосностью, ромбического слабого ферромагнетика и одноосного двухподреиеточного метамагнетика в отсутствие и при наличии внешнего мапштного поля- Идентифицированы области метастабильно-сти для фазовых переходов первого рода и рассмотрена доменная структура в этих областях. Показано, что доменные стенки старой фазы вблизи фазового перехода пзрвого рода расплыЕаются, в их центре образуется зародыш новой фазы. Это обстоятельство часто является причиной сужения области гистерезиса, обычно наблюдаемого на эксперименте. Рассчитаны кривые намагничивания и кривые вращающих моментов. Оценен вклад одноионной анизотропии в слабоферромагнитный мемепт РЗ ортоферритов. Проведен анализ дЕ-эффекта и особенностей поведения магнитной восприимчивости вблизи ориентационных фаговых переходов первого и второго рода.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. А.И.Мицек, Н.П.Колмакова, П.Ф.Гайданский. Метастабильные состояния одноосных антиферромагнетиков.- ФГТ, 1969, т.11, в.5, с. 1258-1264.

2. Н.П.Колмакова, А.И.Мицек. Кривые вращающих моментов редкоземельных ортоферритов в сильных магнитных полях.- ФГТ, 1969, т.11, в.9, с.2612-2616.

3. A.I.Uitsek, N.P.Kolaakova, D.I.Sirota. On the theory of the domain structure and the elastic properties of the orthorhom-Mc vjeak ferromagnete.- phye.etat.sol. <b), 1973, v.59, p.569-580.

4. A.I.Ulteek, K.P.Kolmakova. D.I.Slrota, I.N.Karnaukhov, A.P.Kedavnll. Orlentational phase transitions In uniaxial ferroma-gneta.- phye.etat.eol. lb), 1974, v.63, p.K137-K140.

5. А.И.Млцек, Н.П.Колмакова, Д.И.Сирота. Магнитные фазовые диаграммы и доменные структуры ферромагнитных кристаллов с осью симметрии высокого порядка,- Ш, 1974, т.38, в.1, с.35-47.

6. А.И.Мпцек, Н.П.Колмакова, Д.И.Сирота, И.Н.Карнаухов. 0 динамике ферромагнетиков вблизи орионтадаонных фазовых переходов.-®М, 1976, т.41, В.З, 0.464-475.

7. Н.П.Колмакова, В.Н.Милов, Д.И.Спрота. Эффекты, связанные с вкладом одноионной анизотропии в слабоферромагнитный момент ортоферритов.- В кн.: Тезисы докладов Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений. Донецк, 1977, с.84.

-298. А.М.Кадомцева, Н.П.Колмакова, В.Н.Милов, Д.И.Сирота. О вкладе одноионной анизотропии в слабый ферромагнетизм ортоферри-тов.- ФТТ, 1979, т.21, В.6, с.1770-1772.

9. А.I.Mitnok, N.P.Kolmakova, D.I.Sirota. Uotamag^otloni of' tvra-sublattlce uniaxial ant 1ferromajneto.- phya.etat.so 1. (a), 1981 , v.65, p.503-512.

10. А.И.Мицек, Н.П.Колмакова, Д.И.Сирота. Магнитные фазовыо диаграммы и доменные структуры кубического ферромагнетика с наведенной одпоосностью.- Металлофизика, 1982, т.4, в.4, с.26-33.

11. 3.А.Казей,Н.П.Колмакова, Д.И.Сирота, В.И.Соколов. Метама-гнетизм неколлинеарного антиферромагнетика: "ян-теллеровский" гранат Ca3Mn2Gs30j2.- Письма в ЖЭТФ, 1983, т.37, в.5, с.240-243.

12. Н.П.Колмакова, И.Б.Крынецкий. Магнитные взаимодействия в ортохромите гадолиния.- В кн.: Тезисы докладов Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений. Тула, 1983, с.193-194.

13. Н.П.Колмакова, Д.И.Сирота. Метамагнетизм многоподрешеточ-ных антиферромагнетиков.- В кн.: Тезисы докладов Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений. Тула, 1983, с.280-281.

14. Э.Б.Довидович, Н.П.Колмакова, А.А.Мухин. Алгоритм и программа минимизации функции многих переменных при наличии ограничений и их физические приложения.- Препринт ИОФАН, 1984, N228, 50с.

15. Д.В.Белов, Н.П.Колмакова, И.Б.Крынецкий, В.Н.Милов, А.А.Мухин, В.А.Семенов. Исследование магнитных свойств и обменных взаимодействий в ортохромите гадолиния. - ЕЭТФ, 1985, т.88, в.З, С.1063-1072.

16. Н.П.Колмакова, А.А.Мухин. Определение параметров кристаллического поля иона тъ3+ в тербиевом ортсалюминате из магнитной восприимчивости.- Препринт ИОФАН, 1986, îJ239 , 23с.

17. Н.П.Колмакова, Н.Ф.Ведерников. Определение электронной структуры редкоземельных ионов в парамагнитных гранатах из магнитооптических и магнитных измерений.- В кн.: Тезисы докладов Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений. Калинин, 1988, С.177-178.

18. В.Н.Милов, Н.П.Колмакова, А.А.Мухин, В.И.Неделько, М.В. Семенова, Д.В.Белов. Обнаружение в £rFe03 новых ориентационных переходов в магнитном поле ниже точки компенсации.- ФТТ, 1988, т.30, в.10, с.3057-306£.

-3019. N.P.Kolmakova, R.Z.Lovitin, A.I.Popov, N.F.Vedernikov, A.K.Zvezdln, V.Nekvasil. Crystal-field dependence of the magnetic linear birefringence in paramagnetic rare-earth garnets.- In: Theses of ICU 88, Paris, 1988, p.72.

20. N.P.Kolmakova, R.Z.Levitin, A.I.Popov, N.F.Vedernikov, A.K.Zvezdln, V.Nekvasil. Crystal-field dependence of the magnetic linear birefringence in paramagnetic rare-earth garnets. -J. de Phye., 1988, v.49, p.C8-955 - C8-956.

21. Н.П.Колмакова, П.Ф.Гайданский, Н.В.Мараховская. Магнитное линейное двупреломление редкоземельных гранатов. Анизотропия эффекта и кристаллическое поле,- Деп. ВИНИТИ, 1989, N 1477-В89, 46с.

22. А.К.Звездин, А.М.Кадомцева, Н.П.Колмакова, И.Е'.Крынец-кий, Р.З.Левитин, В.В.Снегирев. Редкоземельная магнитострикция ВТСП керамики HoBagCujOg^ в сильных магнитных полях.- Сверхпроводимость-. физика, химия, техника, 1989, т.2, в.6, с.87-92.

23. A.U.Kadomtseva, N.P.Kolmakova, I.B.Krynetskii, R.Z.Levitin, V.V.Sneglrev, A.K.Zvezdln. High-field rare-earth magnetostriction of high-Tc HoBagCu^Og^ compounds.- In: Theses of Intern. Conf. M2S-HTSC, Stanford, 1989, p.5B-65.

24. A.U.Kadomtseva, N.P.Kolmakova, I.B.Krynetskii, R.Z.Levitin, V.V.Sneglrev, A.K.Zvezdln. High-field rare-earth magnetostriction of high-To HoBa2Cu306+^ compounds.- Physica C, 1989, v.162-164, p.1361-1362.

25. А.М.Кадомцева, А.А.Ковалев, Н.П.Колмакова, И.Б.Кргьецкий, Р.З.Левитан, В.Н.Уилов, В.В.Снегирев, А.А.Буш. Магнитострикция и тепловое расширение ВТСП керамик 1-2-3 с редкоземельными ионами.-В кн.: Тезисы докладов Всесоюзной конференции по высокотемпературной сверхпроводимости, Киев, 1989, с.ЭМОЭ.

26. N.P.Kolnakova, R.Z.T-evitin, V.N.Orlov. Anomalies of crystal lattice parameters in paramagnetic rare-earth garnets at low temperature.- phye.etat.sol. (a), 1989, v.115, p.K87-K90.

27. N.P.Kolmakova, A.I.Popov. Phase diagram of I^AIjjOjjj and magnetic linear birefringence.- Physica B, 1990, v.162, p.71-73.

28. N.P.Kolmakova, R.Z.Levitin, V.N.Orlov, N.F.Vedernikav. Uagnetoelastlc properties of rare-earth paramagnetic garnets: magnetostriction and thermal expansion.- JMIIU, 1990, v.87, p.218-228.

29. N.P.Kolmakova, R.Z.Levitin, A.I.PojJkv, N.F.Vedernikov,

A.K.Zvezdin, V.Nekvasil. Magnetic linear birefringence in raro-earth garnets: Crystal- field effects and tha Judd-Ofelt approximation.- Phys.Rev.B, 1990, v.41, p.6170-6173.

30. H.P.Kolmakova, I.В.Krynotskii, U.U.Luklna, A.A.liukhin. Crystal field and notanagnetic behavior of rare-earth orthoaluisl-natea: DyA103 .- phys.etat.sol. (b), 1990, v.159, p.845-850.

31. А.А.Буш, Н.П.Колмакова, И.Б.Крынецкий, P.3.Левитан, В.В. Снегирев, В.П.Шабатин. Влияние кристаллического поля па магнптоуп-ругие свойства редкоземельных ВТСП-керамик RBa2Cu3o6+fi <R=Er,Tni.-Сверхпроводимость: физика, химия, техника, 1990, т.З, в.7, с.1385-1390.

32. Н.П.Колмакова, С.В.Копцпк, Г.С.Кринчнх, В.Н.Орлов, А.Я.

"1 + _

Саранцев. Анизотропия эффекта Зеемана иона тъ в парамагнитных

гранатах.- ФГТ, 1990, т.32, в.5, с.1406-1411.

33. В.И.Соколов, З.А.Казей, Н.П.Колмакова, Т.В.СоловъяЕОва. Проявление магнитоупругого н ян-теллеровского взатаодэйствнЗ в упругах и структурных характеристиках редкоземельных фосфатов rpo4 (R= Y, Tb- ïb).- НЭТФ, 1991, т.99, с.З, с.945-961.

34. H.P.Kolmakova, X.B.Krynetakii, 7.I.Voronkova, V.X.Yanova-kii. Magnetostriction of oonocrystal DyBagCiLjOg д.- In: Abstracts of HTSC LP, Uoscow, 1991, p.M40.

35. Z.A.Ka=oi, H, P. Ko lmakova, О.И Л vanonko , K.V.Uitson. Pocu-llaritio3 of oloctron-phonon interaction in DyEa2Cu307_5In: АЬяtracts of HTSC LP, Uoscow, 1991, р.Ы41.

36. V.I.Sokolov, Z.A.Kasiei, N.P.Koimakova. Effects of quadru-pole interactions in rare-earth phosphates RFO^ (R= Y, Tb-Yb).-Physica B, 1991, v.169, N3.

37. Н.П.Колмакова, С.В.Копцпк, Г.С.Кринчик, А.Я.Саранцев. Магнитный линейный дихроизм иона Yb3+ в нттербиевом фэррятз-гранате. - ФТТ, 1991, т.33, в.9, с.

38. З.А.Казей,Н.П.Колмакова, О.М.Иваненко, К.В.!£щен. Особенности электрон-фоношого взаимодействия в DyEa2Cu3o7_5Сверхпроводимость: физика, химия, техника, 1991, т.4, в.11,

39. N.P.Kolmakova, R.Z.Levitin, A.I.Popov. Peculiarities of nagnetio linear birefringence in rars-earth paraisagnetic g^rr.otH. - In: Abstracts of ISUO'91. Kharkov, 1991, p.75.

40. N.P.Kolcakova, A.I.Popov. Uagnetic linear birefringence

and phaee diagram of °У3Л1501г- " In: Ab6tracts of ISUO'91. Kharkov, 1991. p.fll.

41. N.P.Kolmakova, S.V.Koptolk, A.Ya.Sarantaev. Polarized spectra for Yb3* Ion in YblG. - In: Abstracta of ISU0'91. Kharkov, 1991, p.98.

42. З.А.Казой, Н.П.Колмакова, P.3.Левитин. Закономерности магнмтоупругого взаимодействия в родкоземельных окисных соединениях. - В кн.: Тезисы докладов 19 Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений. Ташкент, 1991, ч.1, с.60.

43. 3.А.Казей, Н.П.Колмакова. Изменение дЕ-эффекта по ряду редкоземельных фосфатов rpo^. - В кн.: Тезисы докладов 19 Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений. Ташкент, 1991, ч.1, с.91.

44. В.И.Воронкова, Н.П.Колмакова, И.Б.Крынецкий, В.К.Яновский. Полевые и температурные зависимости магнитострикции монокристалла высокотемпературного сверхпроводника DyBazCu,o6 в. - В кн.: Тезисы докладов 19 Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений. Ташкент, 1991, 4.2, с.37.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. А.К.Звездин, В.М.Матвеев, А.А.Мухин. А.И.Попов. Редкоземельные ионы в магнитоупорядоченных кристаллах. - М.: Наука, 1980. - 239с.

2. B.G.Wybourne. Spectrosooplo properties of rare earths.

- NY.: Intereclence, 1965. - 236 p.

3. C.H.Dleko. Speotra and energy lévele of rare-earth lona In crystals. NY.: Intersolence, 1968. - 401 p.

4. А.Н.Тихонов, В.Я.Арсенин. Методы решения некорректных задач. -Ы.: Наука, 1979. - 223 с.

5. J.M.O'Hare, V.L.Donlan. Crystal-field determination for trlv&lent thulium In yttrlua orthoalumlnate. - Phys.Rev. B, 1976, v.14, p. 3732 - 3743.

6. C.K.Jorgenaen. Orbltalo In atone and nolecules. - NY.: Aoad. Prese, 1962. - 162 p.

7. Д.Химмельблау. Прикладное нелинейное программирование.

- M.t Мир, 1975. - 634 с.

8. Н.A.Kramer«. Quantum Mechanic«. - Amsterdam: North-Holland, 1937. - 496 p.

9. B.R.Judd. Optical absorption Intensities of rare-earth lone. -

Phys. Rev. 1962. v. 127, p. 750-761.

10. G.S •Ofelt. Intensities of cryntal spectra of raro-earth Ions. - J. Ch*m. Phys. 1962, v. 37, p. 511-520.

11. C.A.Morrlaon, R.P.Leavltt. In: Handbook on the phynlcn and chemistry of rare-eartha, cd . by K.A.Gachnoldnor, L.Eyrtng. Amsterdam: North-Holland, 1982, v. 5, p. 461-692.

12. J.F.Dillon. Jr., L . D. Ta 1 ley, E.Y.Chen. AIP Conf. Proo. 1976, Jl 34, Magnetism arid Magnetic i/aterlala, p. 388-390.

13. B.Z.Ualkln. Crystal field and electron-phonon Interaction in rare-earth Ionic paranagneta. - In: Spectroscopy of nollda containing rare-earth Ions. ed. A.A.Kaplyanak11, R.U.Uacfarlane. -Amsterdam: El3evJer Science Publ.. 1987, p. 13 - 50.