Магнитные состояния и фазовые переходы в аморфных магнетиках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1 Основные экспериментальные данные о спиновых стеклах.

1.1.1 Замораживание спинов в спиновых стеклах.

1.1.2 Зависимость восприимчивости от частоты.

1.1.3 Долговременная релаксация магнитной восприимчивости.

1.1.4 Неравновесный характер. Эффекты старения.

1.2 Общие теоретические представления о неэргодичности спиновых стекол.

1.2.1 Неэргодичность спиновых стекол.

1.2.2 Ультраметрическое пространство долин в спиновых стеклах.

1.2.3 Ультраметрическая структура и долговременная релаксация.

1.2.4 Распределение энергий долин. Несамоусредняемость.

1.2.5 Переходы между долинами.

1.3 Выводы.

Глава 2. Функция распределения случайных обменных полей взаимодействия в неупорядоченных магнетиках. Спиновое и макроспиновое стекло.

2.1 Функция распределения случайного поля взаимодействия.

2.2 Самосогласованное уравнение для намагниченности.

2.3 Зависимость намагниченности и магнитной восприимчивости от температуры.

2.4 РККИ взаимодействие и спиновое стекло.

2.5 Диполь-дипольное взаимодействие в системе рассеянных магнитных зерен. Макроспиновое стекло.

2.6 Долговременная релаксация и необратимость.

2.7 Выводы.

Глава 3. Магнитные фазовые переходы в аморфных магнитных системах с конкурирующими обменными взаимодействиями.

3.1 Конкурирующие обменные взаимодействия.

3.2 Нижайшая критическая размерность и перколяционный предел.

3.3 Фазовая магнитная диаграмма. Металлы.

3.4 Фазовая магнитная диаграмма. Полупроводники.

3.5 Выводы.

Практическое использование разнообразных магнитных материалов, имеющих неупорядоченную структуру (к неупорядоченным конденсированным средам относятся твердые тела со стеклообразной структурой), требует хорошего понимания физических процессов, лежащих в основе новых явлений, присущих системам со структурным и магнитным беспорядком. В экспериментальной физике твердого тела накоплено большое число разнообразных данных о физических явлениях в структурных, спиновых, дипольных (макроспиновых), сверхпроводящих стеклах. Физические процессы, протекающие в таких материалах, достаточно сложны и разнообразны, поэтому дальнейшее развитие технологии не может происходить без построения адекватных моделей, описывающих механизмы этих процессов. Для объяснения необычных магнитных структур некоторых магнетиков необходимо дальнейшее развитие теории магнетизма.

Отсутствие идеальных кристаллов, т.е. кристаллов, обладающих совершенной решеткой и периодическими граничными условиями, а кроме того, широкая распространенность неупорядоченных сред в природе обуславливают необходимость моделирования различных физических свойств таких материалов. Большая, по отношению к кристаллическим материалам, технологичность аморфных сред и возможность получения материалов с новыми физическими свойствами определяет перспективность их использования.

Развитие технологии получения сплавов и особенно металлических стекол способствовало появлению совершенно нового класса систем. Такие системы характеризуются очень сильной неупорядоченностью — случайное распределение магнитных атомов в немагнитном объеме приводит к тому, что зависимость обменных интегралов от расстояния между магнитными атомами может быть произвольной, т.е. различаться не только по значению, но и по знаку.

Сегодня существует огромный научный интерес к средам, имеющим неупорядоченную структуру. Существование в таких материалах большого количества взаимодействий (прямое, взаимодействие Рудермана-Киттеля-Ка-суя-Иосида (РККИ), взаимодействие Дзялошинского-Мории, d—с?-обменное, s — с£-обменное, дипольное, сверхобмен, спин-орбитальное, гипертонкое, двойной обмен и т.д.), а также их конкуренция делают магнитные свойства исследуемых структур очень интересными для изучения [1].

Большое количество экспериментальных данных, полученных в течение нескольких десятилетий в области физики СС, способствовало развитию разнообразных теоретических моделей, с помощью которых делались попытки описать наблюдаемые физические явления в исследуемых системах. Имеющиеся в настоящее время теории спин-стекольного состояния оперируют такими довольно абстрактными понятиями^ как фрустрация, долинная топология фазового пространства, ультраметричность пространства долин, иерархия спиновых состояний, мультиуровневые сильновырожденные системы, калибровочная инвариантность, и базируются на принципах, имеющих спорное отношение к реальным магнитным стеклам. Так на сегодняшний день природа СС (структура СС фазы: ионная, кластерная, ферримаг-нитная, смешанная [2]), существование термодинамических фазовых переходов парамагнетик-спиновое стекло (ПМ-СС), ферромагнетик-спиновое стекло (ФМ-СС) и антиферромагнетик-спиновое стекло (АФМ-СС) [3], вопросы долговременной квазилогарифмической магнитной релаксации СС систем [4,5], природа реентрантного (возвратного) спинового стекла [6-8], нижайшая критическая размерность [9], неравновесные свойства СС систем [10], системы со случайной анизотропией в совокупности с конкурирующими обменными взаимодействиями [11] с теоретической точки зрения остаются существенно неисследованными. Кроме того, интенсивные исследования в области экспериментальной физики СС систем дают новые факты, не описываемые в рамках развитых теорий. В целом магнитная динамика СС является исключительно сложной проблемой в области физики неупорядоченных сред, которая может быть решена только методом обобщения теоретических моделей и экспериментальных данных. Построение физики спинового стекла может повлиять на прогресс во всей области знаний, имеющих дело со сложными системами.

Цель диссертационной работы состоит в том, чтобы используя метод случайных полей взаимодействия (использовавшийся ранее в работах [12-14]), провести численное исследование особенностей спинстекольного и возвратного спинстекольного состояния (в том числе и макроспинового стекла). В связи с этим поставлены следующие задачи:

1. Произвести расчет функции распределения случайных полей обменных взаимодействий в спиновом и макроспиновом стекле. Рассмотреть условия существования различных типов упорядочения в таких системах для двумерного и одномерного случаев и рассчитать относительные ферромагнитные перколяционные пределы для двух- и трехмерного случая, численно исследовать процесс намагничивания системы взаимодействующих магнитных наночастиц в зависимости от концентрации магнитных атомов, температуры и поля.

2. Исследовать механизм долговременной релаксации и необратимости в системе рассеянных в немагнитной матрице однодоменных частиц (в ма-кроспиновых стеклах).

3. Построить теоретические магнитные фазовые диаграммы для металлических аморфных сплавов и полупроводниковых аморфных растворов с различными типами взаимодействий, а также при конкуренции обменных взаимодействий.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения.

3.5 ВЫВОДЫ

В данной главе предложен метод, позволяющий рассчитать критические температуры фазовых магнитных переходов в системах с конкурирующими обменными взаимодействиями. Формально наличие конкурирующих взаимодействий приводит к появлению интерференционного члена (13В) в выражении параметра В функции распределения случайных полей обменного взаимодействия. В качестве конкурирующих обменных взаимодействий в аморфных металлических сплавах и аморфных полупроводниковых соединениях были рассмотрены: прямое обменное взаимодействие (140), косвенное обменное взаимодействие Рудермана-Киттеля-Касуи-Иосида (144), а также а—РККИ взаимодействие, имеющее место в полупроводниках (142).

Одной из проверок метода может служить оценка критической концентраций ферромагнитных атомов, необходимой для возникновения перколяции в модели Изинга, и сравнение ее с оценками, полученными в теории протекания другими методами. Полученные предлагаемым методом критические концентрации в двумерном и трехмерном случаях, соотношение между ними, а также отсутствие ферромагнетизма случае одномерной цепочки атомов, взаимодействующих посредством рассматриваемых обменных сил, а также при их конкуренции, подтверждают адекватность используемого подхода. Для возникновение протекания по связям при наличии только прямого обменного взаимодействия в системе ферромагнитных атомов, случайным образом распределенных в немагнитной матрице, для пленарных образцов необходимо, чтобы ферромагнитные атомы составляли ^ 67% от общего объема, для трехмерных образцов достаточно ^ 29% от общего объема. Для дальнодей-ствующего косвенного обмена РККИ перколяционный предел будет ниже: ^ 33% и ^ 11%, соответственно. Относительные ферромагнитные пределы протекания для двухмерных и трехмерных сред с конкурирующими обменными взаимодействиями составляют ^ 40% и ^ 22%, соответственно. Очевидно, такой результат является следствием того, что присутствие прямого обменного взаимодействия влияет на поляризацию спинов, поддерживаемую дальнодействующим косвенным обменным взаимодействием. Перколяцион-ные пределы для возникновения ферромагнетизма в случае сред с а—РККИ взаимодействием и при его конкуренции с прямым обменным взаимодействием также были вычислены. Магнитостатическое диполь-дипольное взаимодействие в системе магнитных наночастиц не способствует возникновению ферромагнетизма ни в одной из исследуемых размерностей.

Использование предлагаемой методики позволило построить теоретические фазовые диаграммы для металлов и полупроводников. В случае металлов и металлических аморфных сплавов, имеющих достаточно высокую концентрацию свободных электоронов, фазовый переход в состояние спинового стекла имеет место для любых малых концентраций магнитных примесей. Отметим, что теоретические магнитные фазовые диаграммы, полученные для аморфных металлических систем с прямым обменным взаимодействием, РККИ-взаимодействием и при конкуренции этих взаимодействий, подобны. Вблизи ферромагнитного перколяционного предела в узком концентрационном интервале при понижении температуры возможны три последовательных фазовых перехода: ПМ-СС-ФМ. Вопрос о теоретическом обосновании существования реентрантного спинового стекла (РСС), наблюдающегося экспериментально в этих системах, пока остается открытым.

Для аморфных магнитных примесных полупроводников с прямым обменным взаимодействием теоретическая магнитная фазовая диаграмма имеет такой же вид, как и в случае с металлами. Неупорядоченные полупроводниковые среды с взаимодействием РККИ, имеющие немонотонную зависимость концентрации свободных электронов от температуры, могут находиться в состоянии спинового стекла лишь в узком концентрационном (вблизи перколяционного порога) и узком температурном интервалах. Для этих концентраций при понижении температуры возможны последовательно фазовые переходы ПМ-СС-ФМ-ПМ. Фазовый переход ФМ-СС с повышением температуры обусловлен уменьшением эффективного радиуса поляризации спинов, а возвратный переход ФМ-ПМ (появление РПМ) в магнитной полупроводниковой системе с РККИ взаимодействием при уменьшении температуры вызван резким уменьшением концентрации свободных электронов и сложным поведением параметров В и HQ с изменением температуры.

В данной работе не было исследовано косвенное обменное взаимодействие в полупроводниковых системах посредством дырок, поскольку данный вопрос является предметом отдельного изучения.

Был рассмотрен один из возможных вариантов образования РСС в полупроводниках. Причиной, вызывающей разрушение ферромагнетизма в магнитных полупроводниках посредством фазового перехода ФМ-СС, при конкуренции прямого и косвенного обменного взаимодействия, является зависимость радиуса поляризации вблизи магнитной примеси, обеспеченной косвенным обменным взаимодействием, от температуры. Зависимость параметров Но и В от температуры может быть достаточно сложной для косвенного обменного взаимодействия в средах, в которых это взаимодействие распространяется посредством свободных носителей заряда. Поэтому вблизи пер-коляционного предела для аморфных полупроводниковых сплавов наличие различных видов обмена в образце может приводить к возвратному переходу ферромагнетик-спиновое стекло при температурах ниже температуры Кюри.

Для конкурирующих прямого и а—РККИ взаимодействий была также построена теоретическая магнитная фазовая диаграмма. Полученная фазовая диаграмма подобна фазовой диаграмме для случая конкурирующих прямого и РККИ взаимодействий.

Таким образом, наблюдаемые магнитные свойства аморфных полупроводников (фазовый переход ПМ-СС, реентрантный фазовый переход ФМ-СС) может являться следствием конкуренции косвенных и прямых обменных взаимодействий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В заключении еще раз сформулируем основные результаты работы:

I. Для аморфных сред в общем виде при любом законе обмена ip(r) получена функция распределения случайных полей взаимодействия — распределение Гаусса, математическое ожидание и дисперсия которого взаимосвязаны, определяются видом функции <р(г) и зависят от концентрации взаимодействующих частиц.

II. Исследованы в рамках модели Изинга фазовые переходы типа парамагнетик-спиновое стекло, парамагнетик-ферромагнетик, ферромагнетик-спиновое стекло для различных видов взаимодействия (прямой, РККИ и его модификация, диполь-дипольное) и установлены критические концентрации, соответствующие пределу протекания.

Показано:

1. При соответствующих концентрациях взаимодействующих частиц и интенсивности обмена любой тип взаимодействия может привести к образованию фазы спинового стекла.

2. Конкуренция различных типов обмена может приводить к переходам типа ферромагнетик-спиновое стекло, т.е. к появлению фазы реентрантного (возвратного) спинового стекла.

3. Система взаимодействующих однодоменных частиц (кластеров) в отношении магнитного последействия проявляет все свойства, характерные для спиновых стекол.

Разработанный метод достаточно прост и может быть трансформирован для применения к кристаллическим структурам. Кроме того, для магнетиков вблизи перколяционного предела (кластерное спиновое стекло) дальнейшее исследование магнитного последействия можно проводить в рамках предложенного в работе подхода.

1. Nie J.С.,Wang J.H., JMMM, 192(1999), p. 379-385.

2. Королева Л.И., Абрамович А.И., ФТТ, 1998, том 40, вып. 2, с. 315-317.

3. Ефимова Н.Н., ЖЭТФ, 1998, том 113, вып. 4, с. 1339-1349.

4. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е., УФН, 1990., том 160, вып. 9, с. 75-107.

5. Мейлихов Е.З., ЖЭТФ, 2000, том 117, вып. 6, с. 1136-1142.

6. Абрамович А.И., Королева Л.И., Лукина Л.Н., ФТТ, 1999, том 41, вып. 1, с. 84-90.

7. Делягин Н.Н., Ерзинкян А.Л., Гуревич Г.М., Парфенова В.П., Рейман С.И., Дупак Я., ФТТ, 1998, том 40, вып. 9, с. 1650-1655.

8. Делягин Н.Н., Гуревич Г.М., Ерзинкян А.Л., Парфенова В.П., Рейман С.И., Топалов С.В., Трхлик М., ЖЭТФ, 1996, том 109, вып. 4, с. 14511464.

9. Сурженко А.Б., Такзей Г.А., ФТТ, 2001, том 43, вып. 7, с. 1236-1238.

10. Сурженко А.Б., Гребенюк Ю.П., ЖЭТФ, 1997, том 66, вып. 3, с. 149-153.

11. Делягин Н.Н., Ерзинкян А.Л., Гуревич Г.М., Парфенова В.П., Рейман С.И., Дупак Я., ФТТ, 1998, том 40, вып. 9, с. 1650-1655.

12. Берков Д.В., Мешков С.В., ЖЭТФ, 1988, том 94, с. 140.

13. Белоконь В.И., Сёмкин С.В., ЖЭТФ, 1992, том 102, с. 1254.

14. Белоконь В.И., Сёмкин С.В., ЖЭТФ, 1993, том 104, с. 3784.

15. Edwards S.F., Anderson P.W., J. Phys. Ser. F., 1975, Vol.5, p. 965-974.

16. Kirkpatrick S., Sherrington D., Phys. Rev. B, 1978, Vol.17, p. 4384-4403.

17. Maletta H., Felsch W., Z. Phys. Ser. B, 1980, Vol. 37, p. 55-64.

18. Childress J.R., Chien C.L., Phys. Rev. B, 1991, Vol. 43, №10, p. 8089-8093.

19. Гребенюк Ю.П., Сурженко А.Б., Такзей Г.А., ФТТ, 1999, Vol. 41, №11, с. 2028-2033.

20. Gabay M., Toulouse G., Phys. Rev. Lett., 1981, Vol. 47, p. 201.

21. Beck P.A., Phys. Rev. B, 1985, Vol. 32, №11, p. 7255-7262.

22. Saslow W.M., Parker G., Phys. Rev. Lett., 1986, Vol. 56, p. 1074.

23. Yeshurun Y., Salamon M.N., Rao H.V., Chen H.S., Ibid., 1981, Vol.24, p. 1536-1549.

24. Мейлихов E.3., ЖЭТФ, 1999, том 116, вып. 6(12), с. 2182-2191.

25. Mezei F., Ehlers G., Pappas C., Russina M., Hicks T.J., Ling M.F., Physica B, 276-278, 2000, p. 543-546.

26. Murani A.P., Scharpf O., Andersen K.H., Richard D., Raphel R., Physica B, 267-268, 1999, p. 131-133.

27. Абрамович A.M., Королева Л.И., Лукина Л.Н., ФТТ, 1999, том 41, вып. 1, с. 84-90.

28. Eberbeck D., Ahlers Н., JMMM, 192(1999), р. 148-158.

29. Lopez A., Lazaro F.J., R. von Helmolt, Garcia-Palacios J.L., Wecker J., Cerva H., JMMM, 1998, Vol. 187, p. 221-230.

30. Jonsson Т., Svedlindh P., Hansen H., Phys. Rev. Lett., 1998, Vol. 81, № 18, p. 3976-3979.

31. Eberbeck D., Ahlers H., JMMM, 1999, Vol. 192, p. 148-158.

32. Luo W., Nagel S.R., Rosenbaum T.F., Rosensweig R.E., Phys. Rev. Lett., 1991, Vol. 67, № 19, p. 2721-2724.

33. Wills A.S., Dupuis V., Vincent E., Hammann E., Calemczuk R., Phys. Rev. B, 2000, Vol. 62, №14, p. 9264-9267.

34. Negishi H., Yamasaki A., Sasaki M., Inoue M., Kadomatsu H., JMMM, Vol. 185, 1998, p. 85-90.

35. Morais P.C., Teixeira C.B., Skeff Neto K., Azevedo R.B., Lacava Z.G.M., L.M. Lacava, Solid State Communications, Vol. 114, 2000, p. 59-62.

36. De Того J.A., Lopez de la Torre M.A., Riveiro J.M., Phys. Rev. B, 1999, Vol. 60, №18, p. 12918-12923.

37. Satooka J., Ito A., JMMM, 177-181(1998), p. 103-104.

38. Hagiwara M., Nagata K., JMMM, 177-181(1998), p. 91-92.

39. Ryan D.H., Tun Z., Codogan J.M., JMMM, 177-181(1998), p. 57-62.

40. Сурженко А.Б., Такзей Г.А., ФТТ, 2001, том 43, вып. 7, с. 1236-1238.

41. Jonsson Т., Jonsson К., Phys. Rev. В, 1999, Vol. 59, №14, p. 9402-9407.42. del Muro M.G., Batlle X., Labarta A., Phys. Rev. B, 1999, Vol.59, №21, p. 13584-13587.

42. Абрамович А.И., Королева JI.И., Лукина Л.Н., ФТТ, 1999, том 41, вып. 1, с. 84-90.

43. Murani А.P., Scharpf О., Andersen О., Richard D., Raphel R., Physica В, 267-268, 1999, p. 131-133.

44. Сурженко А.Б., Гребенюк Ю.П., Письма в ЖЭТФ, 1999, том 66, вып.З, с. 149-153.

45. Mathieu R., Jonsson P., Nam D.N.H., Nordblad P., Phys. Rev. B, 2001, Vol. 63, №9, p. 92401-92404.

46. Obrado E., Vives E., Planes A., Phys. Rev. B, 1999, Vol. 59, №21, p. 1390113910.

47. Miyoshi K., Ihara M., Fujiwara K., Takesuchi J., J. Physica B, 281-282(2000), p. 30-31.

48. Wang X.L., Hovart J., Liu H.K., Dou S.X., JMMM, 182(1998), p. 1-4.

49. Nie J.C., Wang J.H., Zhao B.R., JMMM, 192(1999), p. 379-385.

50. Jonason K., Vincent E., Hammann J., Bouchaud J.P., Nordblad P., Phys. Rev. Lett., 1998, Vol. 81, №15, p. 3243-3246.

51. Childress J.R., Chien C.L., Phys. Rev. B, 1991, Vol. 43, №10, p. 8089-8093.

52. Такзей Г.А., Гавриленко M.B., Ескуинази П., Куликов Л.М., Сыч И.И., ФТТ, 1997, том 39, №10, с. 1801-1805.

53. Reich D.H., Ellman В., Yang J., Rosenbaum T.F., Phys. Rev. B, 1990, Vol.42, №7, p. 4631-4644.55 56 [5758