Магнитные фазовые диаграммы и кривые намагничивания ферримагнетиков с магнитной нестабильностью тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

¿У' // #

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

НЕКРАСОВА МАРИНА ЮРЬЕВНА

МАГНИТНЫЕ ФАЗОВЫЕ ДИАГРАММЫ И КРИВЫЕ НАМАГНИЧИВАНИЯ ФЕРРИМАГНЕТИКОВ С МАГНИТНОЙ

НЕСТАБИЛЬНОСТЬЮ: ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ С РЕДКИМИ ЗЕМЛЯМИ

01. 04. 11 - физика магнитных явлений

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Научные руководители:

доктор физико- математических наук профессор КОЛМАКОВА Н.П. доктор физико - математических наук, профессор ЛЕВИТИН Р.З.

Москва - 1998

Физический факультет

На правах рукописи УДК 538.22

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................4

ГЛАВА 1 ФЕРРИМАГНЕТИКИ С МАГНИТНОЙ

НЕСТАБИЛЬНОСТЬЮ (литературный обзор)............... 10

§1.1. Процессы намагничивания двухподрешеточных

ферримагнетиков со стабильными подрешетками...............11

1.1.1. Неколлинеарная фаза в изотропных ферримашетиках.....................................................................11

1.1.2, Влияние анизотропии на существование неколлинеарных фаз................................................................16

§1.2. Нестабильность, связанная с явлением зонного

метамагнетизма,.......................................................................25

1.2.1. Зонная модель магнетизма....................................................25

1.2.2. Зонный метамагнетизм соединений типа ЯСог.....................30

1.2.3. Влияние замещений на магнитную нестабильность соединений 11Со2......................................................................33

1.2.4. Определение величины межподрешеточного {•д. обмена в соединениях типа ЯСо2

косвенными методами...............................................................37

1.2.5. Определение параметров обменного £-<1

взаимодействия в соединениях типа КСо2 с тяжелыми редкими землями

из кривых намагничивания.....................................................40

1.2.6. Зонный метамагнетизм соединений 11Соз.............................41

§1.3. Особенности магнитной нестабильности ТшСог...................44

§1.4. Нестабильность двухподрешеточных

ферримагнетиков с антиферромагнитным

обменом внутри одной из подрешеток...................................47

1.4.1. Модель Яфета-Киттеля............................................................48

1.4.2. Двухподрешеточный ферримагнетик с

инверсией знака обменного взаимодействия.........................52

1.4.3. Магнитная нестабильность изотропного трехподрешеточного ферримагнетика...................................54

1.4.4. Магнитная нестабильность тройных интерметаллических соединений типа

ИМП2Х2 (X -ве или 80.............................................................60

ГЛАВА 2. ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ КРИВЫХ

НАМАГНИЧИВАНИЯ ДВУХПОДРЕШЕ-ТОЧНЫХ МАГНЕТИКОВ С МАГНИТНОЙ НЕСТАБИЛЬНОСТЬЮ В ОДНОЙ ИЗ

ПОДРЕШЕТОК......................................................................64

§2.1. Теоретическая модель.............................................................65

§2.2. Численное моделирование

для соединений типа У11(СоА1)2.............................................67

§2.3. Описание программы...............................................................70

ГЛАВА 3 АНАЛИЗ КРИВЫХ НАМАГНИЧИВАНИЯ

СОЕДИНЕНИЙ УыККСо^АЪсЬ.......................................75

§3.1. Кривые намагничивания У1 А(Со1_хА1х)2 с тяжелыми редкими земшми,

К.= Ш, ТЬ, Е>у, Но, Ег, Тш......................................................77

§3.2. Кривые намагничивания У^И^Со^А!^

с легкими редкими землями, Я = Рг, N<1................................89

ГЛАВА 4. МАГНИТНЫЕ ФАЗОВЫЕ ДИАГРАММЫ

И КРИВЫЕ НАМАГНИЧИВАНИЯ ФЕРРИМАГНЕТИКОВ С НЕСТАБИЛЬНОСТЬЮ

В ПОДРЕШЕТКАХ................................................................93

§4.1. Магнитные фазовые диаграммы ферримагнетика с двумя

нестабильными подрешетками................................................93

§4.2. Аналитическое исследование влияния

восприимчивости магнитно- нестабильной подсистемы на магнитные фазовые диаграммы и кривые намагничивания двухподрешеточного ферримагнетика

с нестабильностью в одной подрешетке................................ 111

§4.3. Магнитные фазовые диаграммы

ферримагнетиков с антиферромагнитным обменным взаимодействием в

одной из подрешеток..............................................................125

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................136

ЛИТЕРАТУРА ...........................................................................................139

ПРИЛОЖЕНИЕ. Программа численного моделирования кривых намагничивания двухподрешеточных магнетиков с магнитной нестабильностью.............................148

Введение

Большой интерес к исследованию редкоземельных магнитных материалов обусловлен их важной ролью в современной науке и технике. Разнообразие магнитных, магнитоупругих, оптических, магнитооптических, диэлектрических, резонансных и других физических свойств редкоземельных соединений создает благоприятные возможности для получения на их основе материалов для различных устройств микроэлектроники, субмиллиметровой и СВЧ-техники, прикладной магнитооптики, лазерной физики, вычислительной техники, мапштоакустики и других перспективных направлений современной техники.

Интерметаллические соединения редких земель с Зё-переходными элементами занимают особое место среди известных в настоящее время магнитных материалов. Это обусловлено тем, что магнитное поведение таких интерметаллидов определяется свойствами, присущими как редкоземельным (большая величина намагниченности насыщения, гигантские величины магнитокристаллической анизотропии и др.), так и 3 ¿-магнетикам (высокие температуры магнитного упорядочения, гигантская объемная магнитострикция и т. д.). Сочетание этих свойств в одном соединении позволяет получать новые магнитные материалы, перспективные для применения в различных областях современной техники. Известными примерами являются соединения ВД^, КСо5, Я2Ре14В, обладающие рекордными магнитными характеристиками,

Магнитные материалы на основе Зё- и 4£-элементов в течение многих лет являются предметом обширных экспериментальных и теоретических исследований, направленных как на изучение различных физических свойств конкретных соединений с целью их применения, так и на изучение явлений, имеющих фундаментальное значение не только для физики магнитных явлений, но и для физики конденсированного

состояния в целом, например, физики фазовых переходов. С фундаментальной точки зрения 11-3 с1 интерметаллиды представляют большой интерес потому, что позволяют изучать взаимодействие двух магнитных подсистем различной природы, образованных локализованными 4Г-электронами редкоземельных ионов и зонными ¿-элекгронами. Характерной особенностью этих соединений является гибридизация 3&-элекгронных состояний переходного металла с 5с1 (4с1)-соетояниями редкоземельных ионов, что может приводить к существенной трансформации энергетической зависимости плотности состояний вблизи уровня Ферми. Вследствие этого магнитные свойства зонной ¿-подсистемы различных интерметаллидов, содержащих один и тот же 3¿-элемент, могут значительно отличаться друг от друга. При определенных условиях зонная подсистема таких интерметаллидов проявляет магнитную нестабильность, которая заключается в скачкообразном изменении основного состояния при изменении внешних (магнитное поле, температура, давление и пр.) или внутренних (молекулярное поле, межатомные расстояния, плотность состояний на уровне Ферми) параметров.

Ярким примером магнитной нестабильности является зонный метамагаетизм системы ¿-электронов - фазовый переход первого рода из слабомагнитного в сильномашитное состояние при приложении внешнего поля. Такие перехода были экспериментально обнаружены в

интерметаллических соединениях ЯСог и КСоз (II = У, Ьи, G¿-Tm).

Другое проявление магнитной нестабильности зонных электронов заключается в переходе парамагнитной ¿-подсистемы (кобальтовой

подрешетки) в ферромагнитное состояние в соединениях типа ИСо2 при

замещении кобальта на алюминий за счет изменения плотности состояний на уровне Ферми.

В ряде случаев возможна магнитная нестабильность обеих подрешеток двухподрешеточного ферримагнетика. Так, например,

недавние исследования магнитных свойств интерметаллида ТшСо2

показали, что в этом соединении Tm-подсистема также является магнитно -нестабильной: в зависимости от стехиометрии магнитное состояние этой подсистемы может быть различным. Природа этой нестабильности до настоящего времени не выяснена. Она, в частности, может быть обусловлена явлением кроссовера в Tm-подсиетеме, которое связано со спецификой взаимодействия энергетических уровней помещенного в кристаллическую решетку редкоземельного иона в магнитном поле. Хотя сведения об экспериментальном исследовании ферримагнетиков с двумя нестабильными подсистемами отсутствуют, такие соединения могут встречаться среди f-d интерметашщдов, в которых зонная d-подсистема является метамагнитной, а редкоземельная обнаруживает явление кроссовера. Кроме того, такие ферримагнетики могут быть обнаружены среди d-d интерметаллидов, в которых имеются две магнитно-нестабильные подрешетки с отрицательным межподрешеточным обменным взаимодействием.

Иной вид магнитной нестабильности могут обнаруживать двухподрешеточные ферримагнетики с антиферромагнитным обменом в одной из подрешеток, к которым относятся интерметаллические

соединения состава RT2X2, где Т - переходной металл, X - Si или Ge. Эти

тройные соединения демонстрируют разнообразные физические свойства, от сверхпроводимости до поведения, характерного для систем тяжелых фермионов.

Экспериментально наблюдаемые в соединениях RT2X2 с Т = Мп разнообразные магнитные структуры и метамагнитные переходы обусловлены, в частности, антиферромагнитным обменом внутри Мп-

подрешеть®. Несмотря на обширный экспериментальный материал по магнитным свойствам этих соединений и попытки их интерпретации, к настоящему времени нет теоретической модели, позволяющей адекватно

описывать магнитное поведение соединений ИМп2Х2 .

Магнитные свойства кристаллов со спиновым порядком удобно описывать с помощью магнитных фазовых диаграмм. Изменения магнитной структуры без разрушения спиновой решетки характеризуются изменениями ориентации магнитных моментов подрешеток и их величин, или линейно связанных с ними параметров магнитного порядка. Точки ориентационных фазовых переходов образуют поверхности, разделяющие области устойчивости магнитных фаз.

Исследования магнитных фазовых диаграмм, фазовых переходов и кривых намагничивания в магнитно-нестабильных интерметаллических соединениях представляют особый интерес, поскольку позволяют глубже понять особенности магнетизма зонных электронов в этих соединениях, провести сравнительный анализ результатов, полученных различными методами, определить параметры межподрешеточного и внутриподрешеточного обменных взаимодействий, проследить влияние внешних и внутренних параметров на магнитные фазовые диаграммы и кривые намагничивания.

Основные цели данной работы, теоретически исследующей магнитные свойства ферримагнетиков с различными видами магнитной нестабильности, заключаются в следующем:

- разработать численный метод расчета кривых намагничивания двухподрешеточных магнетиков с магнитно-нестабильной подрешеткой; применить разработанный метод для описания кривых намагничивания и определения величин межподрешеточного обменного взаимодействия

соединений У}о ] -хА1х)2, К = Рг3 N<1, Ос1- Тш;

построить магнитные фазовые диаграммы и кривые намагничивания двухподрешеточного ферримагнетика с двумя магнитно-нестабильными подрешетками и двухподрешеточного ферримагнетика с антиферромашитным обменом в одной из подрешеток;

- в аналитической форме исследовать влияние восприимчивости нестабильной подсистемы на магнитные фазовые диаграммы и кривые намагничивания двухподрешеточного ферримагнетика;

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

В первой главе, носящей в основном обзорный характер, рассмотрены основные виды магнитной нестабильности интерметаллических соединений с редкими землями. Дан обзор экспериментальных и теоретических работ по исследованию магнитных свойств этих соединений.

Во второй главе представлена программа численного расчета кривых намагничивания двухподрешеточных магнетиков с одной нестабильной подрешеткой. Дана теоретическая модель расчета Приведены описание разработанной для численного моделирования кривых намагничивания программы, ее блок-схема, схема связей подпрограмм с основной программой и пример вывода результата Предсказаны составы соединений с заданными магнитными свойствами.

В третьей главе на основе рассчитанных кривых намагничивания и

экспериментальных данных дня соединений У^К^Со^хА^г с

тяжелыми и легкими редкими землями определены параметры межподрешеточного £•<! - взаимодействия.

Четвертая глава диссертации содержит результаты, полученные в аналитической форме. Построены магнитные фазовые диаграммы и кривые намагничивания двухподрешеточного ферримагнетика с

нестабильностью в обеих подрешетках. Получена, в частности, фазовая диаграмма с максимальным числом фазовых переходов. Рассмотрено влияние восприимчивости нестабильной подрешетки ферримагнетика на магнитные фазовые диаграммы и кривые намагничивания двухподрешеточного ферримагнетика. Получены выражения для критических полей с учетом восприимчивости. Выявлена динамика трансформации магнитных фазовых диаграмм и кривых намагничивания при изменении воспримчивости. Для двухподрешеточного ферримагнетика с антиферромагнитным обменным взаимодействием внутри одной из подрешеток построены магнитные фазовые диаграммы и кривые намагничивания в изотропном (или гейзенберговском) и сильно анизотропном (изинговском) приближении.

В приложение вынесен текст программы для расчета кривых

намагничивания соединений У^Л^Со^А!^.

Глава 1. Феюримагнетики с магнитной нестабильностью (литературный обзор).

Магнитная нестабильность - переход из одного магнитного состояния в другое вследствие изменения внешних (магнитное поле, давление, температура) или внутренних (обменное поле, стехиометрия и т. д.) параметров - достаточно распространенное явление среди редкоземельных интерметаллических соединений, в частности,

соединений типа ЯСог- К магнитным нестабильностям можно отнести

зонный метамагнетизм, явление кроссовера, изменение знака обменного взаимодействия. Из общих соображений понятно, что ферримагнетики, одна из магнитных подсистем которых проявляет какую-либо из перечисленных магнитных несгабильностей, должны характеризоваться сложными магнитными фазовыми диаграммами и нетривиальными кривыми намагничивания. В данной главе описаны виды магнитных несгабильностей и дан обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованиям магнитных свойств интерметаллических соединений с редкими землями, которые могут быть отнесены к классу ферримагнетиков с магнитной нестабильностью. Поскольку в ферримагнетиках процессы перемагничивания чаще всего происходят через образование неколлинеарной фазы, которая может являться универсальным явлением для всех типов ферримагнетиков, глава начинается с описания этого явления в ферримагнетиках со стабильными подрешетками.

§1.1. Процессы намагничивания в двухподрешеточвш ферримагнетикаж со стабильными под решетам и

1,1,1, Неколлииеарная фаза в изотропных феррнмагнетиках

Рассмотрим поведение в магнитном поле двухподрешеточного ферримагнетика со стабильными подрешетками в отсутствие анизотропии, следуя [1]. Достаточно сильное внешнее магнитное поле, наложенное на ферримагнетик, индуцирует неколлинеарность в расположении магнитных моментов подрешеток, которая возникает в результате конкуренции внешнего поля с межподрешеточными обменными и магнитными взаимодействиями. В приближении молекулярного поля уравнения, описывающие состояния двухподрешеточного изотропного ферримагнетика,, имеют вид:

где М1 и М2 - векторы намагниченности подрешеток, а Мх и М2 - их абсолютные величины.

есть эффективные поля, действующие на подрешетки 1 и 2, X > 0 -параметр обменного межподрешеточного взаимодействия. Уравнение (1) означает, что в состоянии термодинамического равновесия намагниченности подрешеток направлены вдоль действующих на них

М1 = (Н1 /НО Мь м2 = (Н2 /н2) м2,

(1)

Н1=Н-Ш2,Н2 = Н-Ш1

(2)

"»ттотлт'тжпттт пг ттлттлт» VIII испшл

В приближении свободных ионов функции М^Т, Н^ и М2(Т, Щ) сводятся к функциям Бриллюэна;

т / ^

где А,ц и Х22 -константы обмена внутри подрешеток 1 и 2, щ и Ц2 -

магнитные моменты ионов первой и второй подрешеток, М] и Мг -

намагниченности подрешеток при Т= О К. Уравнение (3) совместно с (2) определяет намагниченности Мг и М2 при произвольных Н и Т. Векторы

М, и М, меняются с увеличением Н при переходе от ферримагнитного

1 Ли

упорядочения (Мг антипараллельно М2) к ферромагнитному (М^ параллельно М2). Уравнения для компонент намагниченностей, перпендикулярных магнитному полю (М^х и имеют вид

+ = О, Ях2(М1)х + (М2)х « 0, (4)

где %!= Мг/Нр %2=М2М2.

Уравнения (4) имеют р�