Магниторезонансные исследования твердых тел в миллиметровом диапазоне волн при сверхнизких температурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

?Го 011

3 о мдй

Институт монокристаллов НАН Украины

На правах рукописи

Таранов Сергей Иванович Жь

МАПШТОРЕЗОНАНСНКЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ВОЛН ПРИ СВЕРХНИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Харьков - 1994

Диссертация офохмлена на правах рукописи.

Диссертация выполнена в Институте радиофизики и электроники HAH Украины

Научный консультант:

- дсктор физико-математических наук Вертий A.A.

Официальные оппоненты:

- академик HAH Украины, доктор физико-математических наук, профессор Еременко В.В.

- дсктор физико-математических наук, профессор Третьяков O.A.

- дсктор физико-математических наук, профессор Неклвдов И.М.

Ведущая организация: Киевский государственный университет им. Т.Г.Шевченко

Защита состоится ОО&ен1994 г.

в ТУ часов на заседании специализированного совета Д 02.II.01 в Институте монокристаллов HAH Украины (3I000I, Харьков-I, пр.Ленина,60)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института монокристаллов HAH Украины

Автореферат разослан -✓f. аЛ&ЯА. 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета канд.техн.наук .

Атрощенко Л.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ

Актуальность темы. Исследование электронной спиновой структуры твердого тела методами магнитной спектроскопии - одна из традиционных областей физики, вмещая много ответвлений, связанных с саш различными научными направлениями (физика высоких энергий, металлофизика, электродинамика, нелинейная мэханшса и др.). В последнее время в этой области происходят значительные изменения, вызванные тенденцией перехода от исследования упорядоченного состояния вещества к изучении более общего - неупорядоченного состояния, в котором образуются кэтастабильные и неравновесные фазы.

Сегодня достигнуто весьма глубокое понимание упорядоченного состояния веществ, разработаны достаточно общие модели и методы исследования [1-5] . Изучение неупорядоченного состояния имеет более краткую историю и продвинуто значительно d меньшей стегани. В настоящее время уже существует ряд теоретических моделей, в основном - феноменологических, разупоря-доченных срзд, изложенных В работах Anderson P.W., Villain J.. 1Уревяча B.JI., Гинзбурга С.Л. и др. [6,7,14] . Однако, число экспериментов в области неупорядоченных состояний все еще остается сравнительно небольшим. Это связано о методическими и техническими сложностями, возникающими при работе с объектами, проявляющими зачастую труднообъяснимые свойства. Наблюдающаяся разобщенность экспериментальных и теоретических исследований в этом направлении объясняется отсутствием единого подхода в понимании данного круга явлений и чрезвычайной слоеностью эксперимента, связанной с неоднородностью основного состояния исследуемых объектов.

В связи с тем, что при построении теоретических моделей таких систем возникает большое число свободных параметров, которые сегсщня могут быть интерпретированы весьма неопределенно, значительную роль в этой области физики призван играть эксперимент. При этом, большое значение имеет выбор как вполне соответствухщих методов и условий эксперимента, так и наиболее характерных объектов исследований.

К объектам, на примере которых может успешно проводиться изучение данной проблемы, относится ряд достаточно доступ-

них для физики и техники структурно и магнитно неупорядоченных веществ, таких как металлические стекла, аморфные полупроводники и ферриты [8] , ряд диэлектриков со слабыми магнитными взаимодействиями (в том числе вещества поляризованных мишеней [9] ), сегнетоэлектрики, органические биообъекты и др.

В частности, интерес исследователей вызывает широкий класс магнитных стекол, которые представляют собой практически новое агрегатное состояние вещества, характеризующееся непрерывностью свойств и занимающее промежуточное положение между жидкостью и твердым телом. В таких объектах достаточно достоверно реализуется неравновесное (метастабильное) состояние, которое обусловлено широким спектром времен релаксаций. Эта особенность проявляется практически во всех физических свойствах таких систем (проводимость, прочность, теплоемкость и т.д.) [8] . Именно зто обстоятельство делает их в равной мере интересным и многообещающим предметом фундаментальных физических исследований, материаловедения, электроники.

Кроме того, особый интерес представляет исследование в твердом теле явлений и процессов, где нелинейность динамических магнитных свойств проявляется достаточно сильно, что приводит к нарушению стабильности их состояний. В конечном счете это может быть причиной возникновения метастабильных состояний, а также - динамического беспорядка в таких системах [ю] .

Метод электронного спинового резонанса, позволяющий получать данные о локальных магнитных полях в веществе, может дать большой объем информации о сути вышеописанных явлений. Однако, этот метод может быть эффективно применен для изучения разупорядоченных систем, основное состояние которых не является локализованным,при серьезной его модификации, обеспечивающей выполнение двух важнейших условий. Первым условием является повышенная его информативность, что может быть обеспечено проведением эксперимента в области низких и сверхнизких температур. Второе условие состоит в повышении чувствительности и разрешающей способности метода, что сводится к необходимости использования коротковолновой части миллиметрового диапазона электромагнитных волн, воздействующих на

объект.

Иными словами, эффективность исследования данного круга явлений может быть поднята на качественно новый уровень только в результате комплексного решения задачи проведения эксперимента в области %Ц)/кХ > 1 , то есть в области, где энергия кванта электромагнитного поля, поглощаемого веществом, превышает энергии теплового разулорядочения системы.

Таким образом, несмотря на очевидные преимущества сверх-низкотешературного радиофизического эксперимента в изучении магнитных свойств твердого тела (и, в частности, разупорядо-ченных объектов) такие исследования сталкиваются со значительными метддическими и техническими трудностями реализации эксперимента и в настоящее время практически отсутствуют.

Все вышесказанное свидетельствует об актуальности исследования поставленных задач магниторезонансными методами, а также об актуальности развития адекватных методов и средств эксперимента.

Целью работы является экспериментальное исследование электронной спиновой структуры твердых тел, характеризующихся различными типами магнитного упорядочения, в области сверхвысоких частот и сверхнизких (Т<1 К) температур,когда^ш/кТ>1, а также разраоотка соответствующего методического и аппаратурного обеспечения.

Научная новизна данной работы заключается в разработке и создании радиофизического экспериментального комплекса для исследования динамических магнитных свойств веществ в широкой облаем рабочих температур (0,ЗК-25СК), частот (60 ГГц-150 ГГц), (в условиях 2'10"2<1гбО/кЛ" < 20) в присутствии сильных магнитных полей, до 6,5 Т. Комплекс допускает применение в качестве экспериментальных ячеек различных типов специально созданных квазиоптических электродинамических структур при высоких значениях сконцентрированной в них сверхвысокочастотной (СБЧ) мощности. Разработаны квазиоптические резонаторные методики цроведения экспериментов по изучению электронного спинового резонанса в области сверхнизких температур как в металлических так и в неметаллических веществах, находящихся в различ- , ных магнитных фазовых состояниях, как в линейных так и в не-

линейных условиях взаимодействия вещества с полем. Епервые экспериментально исследованы вещества поляризованных ядерных мишеней в области крайне низких температур и автором показана возможность образования в их электронной структуре'фазы с за. мороженными спиновыми моментами. Впервые экспериментально обнаружено и исследовано явление динамической амплитудной биста-бильности и сопутствующий ему эффект дифференциального усиле-. ния в системз"квазиоптический резонатор-парамагнетик? Впервые в области "Ксо/кТ > Л мэтодом электронного спинового резонанса экспериментально исследованы механизмы поглощения электромагнитного поля магнитными двухуровневыми система:®! аморфного,металла.

Практическая и научная значимость результатов диссерта-. ционной работы состоит в том, что полученные экспериментальные данные являются определенным вкладом в разработку единого подхода к созданию моделей неупорядоченных (метастабильных) сред, позволяют разработать методики определения характерных параметров аморфного магнетика (температуру фазового перехода, степень ■кристалличности). Результаты работы могут найти применение при создании новых перспективных веществ поляризованных ядерных мишеней; при изучении динамических нестабильных и мульткста-бильных систем, динамического хаоса; при разработке новых приборов и устройств низкотемпературной споктроскопии и СВЧ техники и физики.миллиметрового диапазона длин волн. Разработанный комплекс экспериментальных методик дан исследования магнптоди-намических свойств веществ при радиоспектроскопнчаски сверхнизких температурах молет быть применен в научных лабораториях, занимающихся изучением задач физики твердого тела, радиоспектроскопией и т.д.

Достоверность результатов работы обеспечена использованием апробированных экспериментальных методик и проведенными оценками погрешностей. Полученные физические результаты совпадают в предельных случаях с данными других авторов и не про-■ тиворечат общефизическим критериям и имеющимся моделям. .

Основные положения, выносимые на защиту заключаются в • - следующем.

1. С целью исследования магнитных свойств веществ в милли- .

метровом диапазоне радиоволн при сверхнизких температурах разработано- специальное аппаратурное и методическое обеспечение эксперимента.

1.1. На базе разработанного и созданного автором ранее радиофизического комплекоа "БУРАН" разработан и создан комплекс "БУРАН-М", обладающий расширенными экспериментальными возможностями, Быралакщзшся в автоматизации радиофизического эксперимента и'значительном увеличении диапазона температур (до 0.3К+250К).

1.2. Разработана методика магниторезонансних. измерений как в слабых, так и в сильных электромагнитных полях в области ра-диоспектроскопически сверхнизких тешератур с помощью специальных, открытых резонансных структур.

2. В миллиметровом диапазоне длин волн исследованы магнитные свойства веществ поляризованных ядерных мишеней и показано,, что роль диполь-дипольных взаимодействий в их электронной спиновой структуре уменьшается с покикеняем температуры.

2.1. С помощью метода электронного магнитного резонанса показано, что эффективность исследованных веществ, как поляризованных миле ней возрастает с понижением температуры.

2.2. Установлено наличие и определены характерные энергии магнитных двухуровневых систем в веществах мишеней, показана возможность образования в таких веществах магнитной фазы с замороженными электронными спинами при Т < I К. .

3. Экспериментально исследованы нелинейные свойства квазиоптического двухзеркального резонатора с насыщающимся заполнением при > 1 и показана целесообразность применения таких резонансных структур в магнитной радиоспектроскопии, а также в области физики и техники миллиметровых волн.

3.1. Экспериментально обнаружено явление амплитудной биста-бильностя в нелинейном квазиоптлческоы открытом резонаторе.

3.2. Опреденены условия раздельного проявления кадцого из двух типов амплитудной бистабильности - абсорбционной и дисперсионной. - , '

3.3. Обнаружен эффект дифференциального усиления в нелинейном квазиоптическом двухзеркальном открытом резонаторе с насыщающимся магнитным заполнением.

4. Щучены динамические магнитные свойства аморфных металлических сплавов в различных магнитных фазовых состояниях и показа-

нн достоинства метода магнитного резонанса миллиметрового диапазона радиоволн как инструмента для исследования фундаментальных свойств неупорядоченных систем.

4.1. Исследованы степень кристаллизации, концентрационные и эвтектические характеристики ферромагнитных аморфных сплавов и предложены магнито]»зонаисные способы изучения таких фундаментальных свойств аморфных магнетиков.

4.2. Изучено магниторезонансное поглощение влектромагнитно-го поля миллиметрового диапазона в возвратных магнетиках

и найдены температурные условия применимости модели магнитных > двухуровневых систем (ДУС) для описания свойств таких объектов.

4.3. Показана возможность раздельного наблюдения и исследования различных механизмов взаимодействия магнитных ДУС с электромагнитной волной в фазе спинового стекла и установлено, что в области Ксо/кТ > i основной вклад в величину поглощения дает поперечный механизм взаимодействия.

4.4. Определены величины энергии расщепления ДУС в возвратных магнетиках (PexHi:i00_:i)77B13Si]L0.

4.5. Обнаружено проявление дополнительной независимой магнитной подсистемы в металлическом стекле вблизи мультикритичес-кой точки магнитных фазовых состояний.

Апробация работы. Основные материалы работы были представлены и докладывались на следующих конференциях и совещаниях: УШ Международная конференция по сверхтонким взаимодействиям (Чехословакия, Прага, 1989); I и П мевдународные конференции по технологии миллиметрового и дальнего инфракрасного диапазонов (Китай, Пекин, I - 1989, П - 1992); Конференции международного общества оптической техники (spie ): I - Материалы новых оптоэлектронных устройств (США, Беллингам, 1991), 2 - Техника миллиметровых и инфракрасных волн (США, Лос-Анжелес, 1993); 16-я Международная конференция по технике инфракрасных и миллиметровых волн (Швейцария, Лозанна, 1991); 4-й Международный семинар по спиновым явлениям в физике высоких энергий (СССР, Протвино, 1991); Мевду-народная конференция spih -89 (СССР, Протвино, 1989), Всероссийская школа-семинар по физике мм и субмм волн (Россия, Москва, I993j Международная конференция по применению магнитных материалов EMMA 93 (Словакия, Кошице, 1993). Результаты работы докладывались также на научных семинарах ИРЭ АН Украины, ФТИНТ

АН Украины. По результатам диссертации опубликовано 49 печатных работ. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы 305 страниц, тлгачая 70 рисунков, и список литературы из 180 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении содержится анализ тех проблем физики твердого тела, эффективное экспериментальное изучение которых может быть проведено методами магниторезонансной спектроскопии при низких и сверхнизких температурах, обзор тлеющихся работ по исследованию свойств неупорядоченных магнетиков, формулировка целей и задач работы, краткого изложения содержания. Здесь же содержатся положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена описанию экспериментального комплекса "БУРАН-М", разработанного автором и созданного и модернизируемого в течение последних лет при участии ряда сотрудников ИРЭ АН Украины. Радиофизический сверхнизкотемпературный комплекс "БУРАН-М" предназначен для исследования свойств веществ в коротковолновой области миллиметрового (мм) диапазона волн (Л = 2+4 ГГц - 150 ГГц)р области температур

(0,3 К - 250 К), в присутствии магнитных полей до 6,5 Т.

Комплекс "БУРАН-М" является модернизацией комплекса "БУРАН" [la] и представляет собой несколько взаимосвязанных блоков:

- криогенный модуль с семейством электродинамических экспериментальных ячеек, входящих в его состав; - машина охлаждения (рефрижератор) для поддержания рабочей температуры образца; - система радиофизического обеспечения; - система обеспечения автоматизации эксперимента.

Экспериментальная ячейка как составная часть криогенного модуля представляет собой электродинамическую структуру (например, резонатор), содержащую изучаемый образец, и предназначена для концентрации и создания в миллиметровом диапазоне дайн волн определенной пространственной конфигурации электромагнитного поля. Данный блек создавался для решения различных задач диагностики твердого тела, в связи с чем были теоретически проанализированы,

а затем сконструирован набор электродинамических структур (открытые резонаторы, волноводные структуры), удовлетворящих условию минимальности. тепловых СВЧ потерь и условию максимальной чувствительности всей электродинамической системы к изменению параметров образца. Данная глава содержит экспериментальный анализ спектральных свойств различных типов электродинамических ячеек (с образцами и без них) в условиях конкретного применения. Здесь же описаны конструктивные особенности двухзер-кальной квазиоптической ячейки с металлическими и диэлектрическими отражателями, волноводной ячейки и др. Описаны конфигурации ячеек с встроенными твердотельными СВЧ приемниками.

Используемые в комплексе ячейки размещены в криогенном модуле, который представляет собой полую герметизированную тонкостенную трубу (штангу) с волноведущими трактами внутри. С его помощью осуществляется операция по введению ячейки с образцом в рефрижератор комплекса, а также подвод СВЧ энергии к ячейке.

Машина охлааденая комплекса "БУРАН-41".'представляет собой мощный рефрижератор замкнутого цикла (типа "top-loading" [la,2а]) с возможностью изъятия и загрузки ячейки с образцом без вывода рефрижератора из рабочего рекима. Мощность рефрижератора со-, ставляет л 1,5"Ю-1 Вт при Т=0,5 К, скорость циркуляции Зне достигает величины а^ 8*10 моль/сек при 2 = 0,30 Е. Криогенная часть рефрижератора размещена в гелиевом крзостата, рассчитанном на заливку 50 л %е н схематически представляет собой систему предварительного охлаэдэния (мощностью « 2*Ю-2 Вт (при рабочей температуре Т = 1,4-1,7 К) и основную систему охлаждения с емкостью рабочей камеры ~ 150 см^. Дот повышения надежности работы рефрижератора в нем использованы специальные прогреваемые дроссели-с регулируемш сечением.

С целью расширения области рабочих температур в комплексе "БУРАН-М" разработана система тепловых экранов и нагревателей, установленных как в рефрижераторе, так и в криогенном модуле. Это позволило достичь рабочих температур Т «s 90 К (при длительных экспериментах) в Т 170 К + 250 К при кратковременных (до 30-40 мин). Термометрзя основных ступеней рефрижератора обеспечена специальными мостами переменного и постоянного тока с применением термомэтров сопротивления типа Speer, Chip-resietor.

- II -

Система радиофизического обеспечения комплекса представлена серией генераторов* электромагнитных колебаний, приемных устройств, а такая системой регистрации данных. Источники электромагнитного излучения миллиметрового (мм) диапазона (генераторы), применяемые в экспериментах были выбраны, исходя прежде всего из требований физических задач. При этом, в зависимости от рода эксперимента реализованы преимущества каждого типа генераторов - серийных Г1-142, П-161, и разработанных в ИРЭ АН Украины генераторов дифракционного излучения (РДИ).

В результате целенаправленных работ по оптимизации приемных устройств при проведении различного класса радиоспектроскопических экспериментов, разработаны следующие приемные схемы и устройства: I) Схема вида оде ток тар ованяя в "теплом" режиме, наиболее удобная для диагностики прозрачных.образцов с использованием кристаллических полупроводниковых детекторов; 2) схема видеодетектирования в "холодном" режиме для диагностики отраженного от ячейки сигнала, в которой при изучении непрозрачных объектов используют низкотемпературные датчики, изготовленные из монокристалла 1пзъ ; 3) схема супергетеродинного детектирования. с использованием в качества гетеродина малошумшцего генератора типа ГДИ, необходимая в исследованиях сильнопогло-щающих объектов.

. Система регистрации данных, также входящая в блок радиофизического обеспечения представлена набором усилительно-преобразовательных блоков, трансформирующих сигнал в форму, необходимую для дальнейшей обработки компьютером или для перевода этого сигнала в графический ввд.

Для повышения степени достоверности полученных данных и надезностэ экшюришнта была разработана система автоматизации экспериментального комплекса. Она предназначена для:- управления ходом эксперимента; - экспрэсо-обработки и записи полученной информации; - контроля ревша работы рефрижератора.

Система автоматизации представлена ЭВМ типа ДВК-2, а также рядом модулей крейта КАШК, предназначенных для управления, сбора в передача информации от приемных устройств СВЧ сигнала, тэрмодатчккоэ, измерителей велячинн магнитного поля к ЭВМ. Система позволяет проводить накопление и статистическую обработку до 6 рззлнзаций линии и выводить информацию на графичес-

кий дисплей.

Вторая глава диссертации посвящена разработке методики, учитывающей специфику и особенности коротковолновой части мм диапазона длин волн, области температур ниже I К и особенности динамических магнитных явлений в твердом теле в этих условиях [За, 8а, 24а ,25а] . Обоснована целесообразность применения открытых резонансных структур в качестве экспериментальных ячеек при магниторезонансннх исследованиях в области Т < I К, предложены способы устранения искажающего влияния дисперсионных свойств высокодобротного открытого резонатора (ОР) на регистрируемую информацию. Сформулированы требования, предъявляемые к генераторам электромагнитного излучения со стороны рода эксперимента и типа используемого резонатора. Вопрос о разрешении противоречий в требованиях, связанных с обеспечением .постоянной по объему образца температуры и минимальности перегрева его при сохранении высокой чувствительности ячейки рассматривается с учетом наличия поверхностного теплового сопротивления для различных типов исследуемых веществ и применяемых резонаторов. Разработана методика использования специальных типов открытых резонаторов и приведены сравнительные оценки СБЧ мощностей, допустимых для исследования веществ в различных ОР без опасности перегрева образца' (в зависимости от свойств вещества, рабочей температуры, типа резонатора). Здесь же предложен ряд способов разрешения противоречий в требовании максимально точного измерения температуры образца с учетом влияния электромагнитного поля на показания датчиков.

В ходе разработки методики экспериментов по магниторе-зонансному поглощению в аморфных металлах показано, что проблема локального перегрева образца практически снимается за счет достаточно высокой теплопроводности металла. Использование металлических образцов толщиной порядка глубины скин-слоя позволило в раде экспериментов измерять не только отраженный от ОР, но и прошедший сигнал, когда низкотемпературный детектор расположен непосредственно в щели связи выходного отражателя. С целью упрощения учета влияния постоянного магнитного поля отработаны также способы измерения магниторезонанс-ного сигнала низкотемпературным датчиком, который вынесен из основного соленоида в поле собственного постоянного магнита. Кроме того, для экспериментов с образцами, толщина которых

больше глубины скин слоя, предложен еще один способ регистрации сигнала датчиком, расположенным в рассеянном поле ОР, в точке, где степень возмущения датчиком резонансного поля является пренебрежимо малой.

Часть экспериментов по изучению металлических стекол была проведена в области температур 250 К - 350 К на разработанном в ИРЭ АН Украины при участии автора высокотемпературном радиоспектрометре мм диапазона волн, который базируется на спектрометре ЯМР-213, сконструированном в ИФ АН СССР. Отработана методика, специфические особенности которой проявляются в необходимости регистрации отраженного от ОР' сигнала.

В данной главе также проводятся исследования термодинамических и электродинамических характеристикквазиоптичеоких резонаторов, используемых для изучения нелинейных процессов в их магниторезонансном заполнении, насыщающимся при большой СВЧ мощности. Основная цель таких исследований состоит в определении условий (по величине СВЧ-мощности) проявления нелинейных эффектов доя различных типов квазиоптических резонансных структур и отработке соответствующей методики эксперимента. Для обеспечения оптимального взаимодействия одной выбранной моды резонатора с магнитным образцом была предложена схема резонансной ячейки в виде двухзеркального квазиоптического ОР с металлическими отражателями. Однако, сравнительно большие СВЧ потери в его сосредоточенных элементах связи приводят в ряде случаев к перегреву его элементов. В результате поиска резонансных структур, наиболее соответствующих диапазону рабочих температур и задачам исследования нелинейных явлений, была предложена схема двухзеркальной резонансной ячейки с плоскослоистыми отражателями, состоящими из набора радиопрозрачных пластин. Кроме того, отработана методика снижения возможного перегрева магниторезонансного заполнения резонатора и обеспечения квазистационарных условий эксперимента в условиях больших значений поглощаемой СВЧ мощности, которая сводится к использованию высокой мощности рефрижератора и применению различных типов хладагентов (%е или ^Не) в разных температурных диапазонах.

Третья глава посвящена исследованию свойств веществ поляризованных ядерных мишеней (ЕНМ) методами магнитного резо-

нанса в коротковолновой области миллиметрового диапазона радиоволн. Эксперименты проводились в области температур 0,3 К -4,2 К, т.е. в диапазоне обычных рабочих температур для ШМ.

Интерес к исследованиям свойств веществ ШМ вызван, в основном, двумя следующими цричинами.

Первая причина определяется потребностями ядерной физики и.состоит в необходимости разработки новых веществ мишеней, обеспечивающих максимально высокую степень, поляризации их ядерной подсистема в условиях Псо/кЛ"» А . Вторая причина повышенного интереса к ПЯМ связана с изучением ряда фундаментальных проблем физики твердого тела, таких, как исследование механизмов поляризации ядерной подсистемы; сверхтонкой структуры (электронно-ядерного взаимодействия) в веществе; ЭПР свойств поляризованных электронно-ядерных систем.

Необходимш условием достижения, прогресса в решении упомянутых выше задач физики высоких энергий и физики твердого тела является максимально подробное экспериментальное ЭПР исследование электронной спиновой структуры веществ мишеней. Комплекс "БУРАН-М", обладающий высокой чувствительностью, благодаря использованию специально разработанных квазиоптических резонансных экспериментальных ячеек, позволяет проводить достаточно подробные спектроскопические исследования; В частности, на комплексе проведены исследования электронного спинового резонанса в таких уже достаточно хорошо зарекомендовавших себя в качестве ПЯМ веществах, как стабильные соединения хрома в тяжелых спиртах и в новых, перспективных, таких, как облученный аммиак Н1>2 [7а, 10а, 21а] (и др.). В соединениях хрома, растворенного в пропиленгликол? таких как нива Сгтк Н1ВА(Н) Сгу На , НХВА(О) Сгу На , НИВА Сгу На , осу-

ществляется поляризация протонов в 1,2 пропиленгликоле [э] . Поликристаллические вещества мишени из' облученного аммиака (изотоп ю>2 , в котором поляризуются ядра дейтерия) является более совершенными объектами для целей ядерной физики, однако, □о причине весьма низкой температуры рекомбинации парамагнитных центров, эти вещества требуют проведения более тонких магнито-спектроекопических экспериментов.

В процессе исследований измерялись основные спектроскопические характеристики и параметры веществ - форма, ширина, ЭПР линии, ее асимметрия, величина д. -фавтора и зависимости

- 15 -

их от температуры, концентрации парамагнитных центров.

Исследование температурной зависимости ширины линии ЭПР таких веществ показали, что линия при понижении температуры от 4,2 К до 0,3 К уширяется примерно на 12$ - 15%', одновременно снижается асимметрия линии поглощения. При концентрациях парамагнитных центров в образце, приблизительно равных обычным "рабочим" значениям этой величины п = (Ю16 -Ю2*) спиц/см3 в традиционных мишенях на основе спиртовых комплэксов наблздается максимум этой зависимости при Т40,9 К, который смешается в область более низких температур по мере уменьшения концентрации ионов Сг'. Такая ситуация является типичной для слабоупорядоченных электронных спиновых систем, где по мере понижения температуры происходит смена механизмов, отвечающих за формирование внутреннего поля в веществе (например, в спиновом стекле) и описывается зависимостью Т-ехр(-оСТ). Анализ упомянутых экспериментальных данных указывает на возможность образования в таких соединениях в области температур ниже I К электронной магнитной структуры, характеризующейся системой замороженных спинов, аналогичной спиновому стеклу [21а] .

Эксперименты по исследованию криогенного вещества мше-ни - показали, что пирина линии ЭПР в таком объекте

(при рабочих концентрациях парамагнитных центров п = = 1021 спин/см ) составляет примерно треть ширины линии для мишеней на основе спиртов (с концентрациями С г , близкими к рабочим концентрациям). Времени спин-спиновой релаксации Та в этих двух типах пишонеЗ составляют соответственно 1,6*10" с и 5с. Эти факты говорят о том, что ОТ^ является более эффективным веществом для ыишенн (то есть, может обеспечить более высокую степень поляризации ядер) из-за мэаьшей с&язв меаду парамагнитными центрами.

Все вышесказанное обусловило интерес к более тщательному ЭПР исследованию облученного аммиака. Асимметрия линии кагни-торезонансного поглощения здесь составляет.'«» 3% для соединений на основе Сгт ) при т ■ 4,2 К, и падает по мере снижения температуры в области Т < I К. Одновременно происходит уширэние линии, описываемой той та зависимостью, что наблюдается для соединений Сгу . Анализ характера уширения

линии в Н1>2 позволяет сделать вывод о том, что в данном объекте при Т 0,9 К также оказывается возможным возникновение ыагнитонеупорядоченного состояния электронной спиновой структуры с замороженными спинами. Такая высокосимметричная форма линии ЭПР указывает на то, что вещество мишени в области Ксо/кТ >г-1, при Т < 0,35 К является весьма многообещающим объектом для исследования механизмов поляризации ядер. Это следует из того факта, что обнаруженное в экспериментах очень слабое влияние соседних атомов друг на друга позволяет практически не учитывать такой механизм потерь энергии при анализе явлений ядерной поляризации.

В заключение отметим, что из того, что, как показано, -ЭПР свойства вещества мишени существенно изменяются в области сверхнизких температур, следует, что спектроскопические исследования такого объекта должны проводиться именно в этом рабочем диапазоне температур..

Четвертая глава диссертации посвящена изучению нелинейных явлений, происходящих в сильных электромагнитных полях в такой динамической системе как квазиоптический резонатор, внутри которого размещен парамагнетик, находящийся в условиях магнитного резонанса. На сегодняшний день, как представляется, существует ряд причин, из-за которых изучению данных явлений необходимо уделить особое внимание.

Одна из них проявляется часто в ходе обычного магнито-спектроскопического эксперимента и связана с использованием высокодобротных резонансных структур. При этом, динамическая магнитная восприимчивость ¿.(Н) = %'(н)~1х"(н) , являющаяся, вообще говоря, величиной, которая нелинейно зависит от СВЧ мощности,приводит к проявлению нелинейных эффектов уже цри сравнительно небольших значениях электромагнитного поля. Этому способствует также то, что с понижением температуры в маг-ниторезонансноы объекте снижается диссипация энергии, вызванная тепловыми флуктуацшши. Из вышесказанного следует, что квазиоптическая резонансная ячейка как средство сверхнизкотемпературного эксперимента должна быть детально исследована и при большой СВЧ мощности.

Вторая причина заключается в том, что система квазиоптический резонатор-парамагнетик" может быть весьма удобным объектом для фундаментального экспериментального я теоретичсо-

кого изучения нелинейных динамических явлений и, в частности,явлений спиновой динамики.

Отметим, что к настоящему времени достаточно широкий класс нелинейных явлений изучен в оптическом диапазоне частот с помощью нелинейного интерферометра Фабри-Перо [ю 3» Существование подобных явлений, их изучение безусловно представляет большой интерес также для миллиметрового диапазона волн и магнитных объектов в качестве нелинейного элемента квазиоптического резонатора. Однако до экспериментов, проведенных- нами и описанных в данной работе, подобные исследования практически не проводились.

Указанный круг нелинейных явлений экспериментально был нами изучен в двухзеркальных квазиоптических резонаторах с парамагнитным заполнением. Роль парамагнитного заполнения исполняли либо рубиновый диск, либо образец ШВА сЛа.

Эксперименты проводились в 4-х миллиметровом диапазоне длин волн, в области температур 4,2 К - 0,3 К, в присутствии статического магнитного поля Н0 ~ 3 Т. Диапазон СВЧ мощности, подводимой к резонатору составляет 1СГ® - Вт. Использовано два типа квазиоптических резонаторов: - с металлическими отражателями и с плоекослоистыми радиопрозрачными отражателями. В экспериментах изучалась зависимость коэффициента передачи резонатора £Г (отношения выходной мощности Ре к подводимой мощности Р: ) от величины Р: , а также - зависимость Ре(Рг) • При облучении образца электромагнитной водной с частотой равной основной частоте магнитного резонанса зарегистрирован гистерезисный характер зависимости ФСР^), что указывает на наличие в данной резонансной структуре двух устойчивых (стабильных) состояний. Первому из этих состояний ("закрытому") соответствует случай, когда величина СВЧ мощности является настолько малой, что динамическая магниторе-зонансная восприимчивость образца оказывается ненасыщенной, а коэффициент передачи резонатора - малой величиной. По достижении определенного значения Т>1 = Р, происходит резкое увеличение (излом) зависимости У(Р1) , соответствущео лавинообразному насыщению парамагнетика. Система переходит во второе "открытое" состояние. При понижении мощности процесс изменения (74) происходит аналогично и при некотором Р1 = "Ря (причем Т>3,<Т>н ) система вновь переходит в "закрытое" состояние. Такая ситуация может быть описана в

рамках модели Сёке [ю] , где в качестве нелинейного элемента выбран парамагнетик. При достаточно больших значениях динамической восприимчивости и одновременном сохранении высокой добротности системы на зависимости Фе (Р[) образуются две ветви устойчивых решений. Это соответствует двум устойчивым состояниям системы, что обнаруживается в экспериментах в виде гистерезиса в зависимости Ре(Рс)[5а» 14а-17а] . Проявляющаяся таким образом бистабильность относится к абсорбционному типу, поскольку она обусловлена исключительно процессами поглощения электромагнитной энергии в нелинейном элементе -парамагнетике, то есть величиной . Второй тип, дис-

персионная бистабильность, проявляется при отличии статического магнитного поля от его резонансного значения, равном приблизительно половине ширины линии магнитного резонанса. Здесь нелинейность определяется, в основном, насыщением действительной части динамической восприимчивости

Максимальная ширина петли гистерезиса наблюдалась, как правило, в центре линии ЭПР, то есть - при проявлении абсорбционной бистабильности. Гистереаисные петли, соответствующие дисперсионной бистабильности, имеют такую же форму, но меньшую ширину, что объясняется меньшим" влиянием на коэффициент передачи ОР по сравнению с влиянием X" (н) . Петли гистерезиса, зарегистрированные при значениях статического магнитного поля-, соответствуыцего примерно равным вкладам абсорбционного и дисперсионного механизмов, имеют неожиданный на первый взгляд вид, и состоят из нескольких петель. Однако, этот вид вполне соответствует проявлению аналогичных свойств резонатора Фабри-Перо в оптическом диапазоне. Подобный эффект в оптике [ 10 ] относят на счет появления дополнительных неустойчивых точек в решении волновых уравнений для такой структуры,, вызванных суперпозицией различных механизмов проявления бистабильности. Применение в экспериментах такого перспективного для магниторезонансной спектроскопии объекта, как двухзеркаль-ный резонатор с плоек ослоистыми отражателями, позволило, благодаря малым тепловым потерям в элементах резонатора, изучать бистабильность и сАпутствуыцие эффекты три существенно больших' значениях СВЧ мощности (Ю-2 Вт - 4'Ю-1)Вт [17а] . Кроме того, благодаря простому опособу изменения добротности такой струк-

туры (путем изменения количества дисков в отражателях) эксперименты позволили оценить значения добротности, при которых влияние нелинейных эффектов на результаты магниторезонансного эксперимента будет минимальным.

Особый интерес, кроме исследования таких стационарных би-стабильных состояний, представляет также изучение особенностей протекания нестационарных процессов в данной низкотемпера-. турной нелинейной системе. 3 частности, в работе исследовано преобразование нелинейной резонаторной структурой прямоугольного импульса с СВЧ заполнением в зависимости от внешних параметров (магнитного поля, частоты). Анализ экспериментальных рээультатов позволил описать искажение формы импульса, как результат различных вкладов абсорбционного и дисперсионного механизмов в нестационарное взаимодействие электронной структуры парамагнетика с электромагнитным полем резонатора. •

С целью изучения возможности использования нелинейного ОР в качестве усилителя-информационного сигнала (в частности в магниторезонансном эксперименте) были проведены специальные исследования [12а]. Резонатор, заполненный парамагнетиком, находящимся в условиях ЭПР, был облучен электромагнитной волной, настолько большой интенсивности, чтобы нелинейность динамической магнитной восприимчивости начинала проявляться в искажении форлы регистрируемой резонансной линии. Для' этой ситуации характерно максимальное значение производной коэффициента передачи ОР по величине подводимой к резонатору мощности. Последующее введение в такой "полунасыщенный" ОР слабого "информационного" сигнала, с низкочастотной амплитудной модуляцией 52 приводит к значительному увеличению коэффициента передачи резонатора с той же частотой 2 . При добротности колебаний резонатора 0! >,10^ наблвдается более чем трехкратное усиление сигнала.

В пятой главе диссертации рассматриваются явления и процессы, происходящие при магниторезонансном взаимодействии СВЧ поля миллиметрового диапазона с системой разупорядочен-ных магнитных атомов, в которой наблвдается конкурирующее ферромагнито-антиферромагнитное взаимодействие-. Одним из ярких представителей этого класса веществ являются металлические стекла. Одна::о,в настоящее время не существует фи-

- 20 -

зической модели, описывающей, если не полностью, то хотя бы большую часть известных их свойств. Вплоть до настоящего времени .магниторезонансные исследования таких веществ охватывали область сравнительно низких частот и высоких температур (ttw/KX/H ), где значительную роль играет тепловая дело-кализация энергетических уровней. Именно поэтому, целью данной . главы явилось сверхнизкотемпературные и сверхвысокочастотные исследования (ku)/K.T Н) магниторезонансных свойств металлических стекол в зависимости как от внешних параметров (температуры, частоты СВЧ поля, величины постоянного магнитного поля), так и от такого внутреннего параметра, как соотношение атомов, обладающих ферромагнитными и антиферромагнитными . связями.

В , описываемых ниже экспериментах основной регистрируемой и.анализируемой величиной являлась линия магниторезонанс-ного поглощения. Эксперименты проводились с использованием квазиоптической ячейки в виде двухзеркального открытого резонатора в диапазоне частот 60 ГГц - 79 ГШ, температур . 0,3 К - 250 К. Образец аморфного металла в виде фольги толщиной « 20 fni.располагался на круглом плоском зеркале резонатора.

Существенная часть экспериментальных исследований, представленных в работе, относится к магниторезонансному изучению ферромагнитной фазы металлических стекол, и проведены на веществах с весьма большими концентрациями ферромагнитных атомов. Однако, особый интерес представляет изучение магнитной структуры широкого класса металлических стекол с концентрациями .ферромагнитных атомов, близкими к критическим. Такие системы с понижением температуры демонстрируют переходы из парамагнитного (неупорядоченного) состояния в ферромагнитное (упорядоченное) и затем в спин-стекольное (неупорядоченное) состояние - возвратные стекла [l3a, Ii] .

Аморфные металлы, такие как ^х^во-Ао (х * 30,40, 50,60,70)¿iexB100_x(x =80,82,83,84,85,86) и другие сохраняют дальний магнитный порядок во всей области рабочих температур. С целью получения наиболее полной информации о таких ферромагнитных металлических стеклах был проведен цикл специальных экспериментов. Основнши измеряемыми величинами здесь были форма и ширина линии магнитного резонанса, вели-

- 21 -

чина намагниченности насыщения, д. - фактор, а кроме того -зависимость этих величин от частоты, температуры, внешнего магнитного поля, степени топологической упорядоченности атомов металла [ба, 9а, 22а] (и др.). Измеренные магниторезо-нансныы методом значения фактора спектроскопического расщепления и намагниченности для таких систем оказываются на 510$ меньшими в сравнении с данными для их кристаллических аналогов [2,3 ] . Отметим, что магниторезонансное измерение этих величин в ферромагни тных образцах четырехкомпонентной системы на основе сплава железо-бор, подвергаемых термической обработке дают практически те же результаты. Эти низкотемпературные данные хорошо коррелируют с данными, имеющимися в литературе [8 ] и свидетельствуют о возрастании роли магнитной вязкости 5 процессе магнитного динамического поглощения.

Магниторезонансные измерения g- -фактора и намагниченности в системе Уе^В о-зс показали, что значения обеих этих величин резко уменьшаются вблизи концентрации магнитных атомов х s 83%, соответствувдей точке эвтектики. Такая ситуация свидетельствует об увеличении флуктуаций магнитного момента, обусловленных сильным структурным разупорядоче-нием, характерным для этой концентрации. Ценным результатом здесь является также то, что такие структурные изменения могут быть зарегистрированы даже при низких температурах в магниторезонансном эксперименте.

Полезная информация о степени взаимного влияния ферромагнитных атомов в динамических процессах в аморфном магнетике была получена из магниторезонансных экспериментов с системой îexHiioo-xB20 • Обнаруженный линейный характер возрастания намагниченности при росте количества атомов, обладающих ферромагнитным взаимодействием позволяет сделать вывод об аддитивности в области х = 20$-50$ вкладов атомов Ре в магниторезонансное поглощение. При дальнейшем росте х зависимость намагниченности от концентрации Ре выходит на насыщение. Это свидетельствует о том, что при х ^ 75% роль структурного разупорядочения в установлении магнитного порядка в электроннй спиновой подсистеме таких металлических стекол снижается.

- 22 -

Аморфные возвратные сплавы, например, системы типа FeHiBSi, FeHiPB и др. обнаруживают более сложное поведение

магнитных свойств при изменении температуры. Исследование магнитных свойств таких объектов, в условиях фазовых переходов, изучение механизмов, приводящих к смене магнитных состояний представляет собой-одну из важнейших задач физики магнитно и топологически неупорядоченных Беществ. В данной ■ работе эксперименты по электронному спиновому резонансу проводились на примере .типичной возвратной системы (FexA/W^B^Sc», для которой в [l3a] - (Такзей Г.А. и др. В® АН Украины)ме-тодаш измерения нерезонансной динамической восприимчивости была построена диаграмм магнитных фазовых состояний. При этом для исследованных концентраций вина критической = 8,9,10) наблюдается возвратный характер магнитных фазовых переходов. При концентрациях же, ниже критической =7 ) аморфный сплав переходит из парамагнитной фазы непосредственно в фазу спинового стекла.

Экспериментальные исследования аналогичных веществ методом электронного спинового резонанса прозодимыэ'ранее, в частности, в-работах Bhagat s.u. и др. [Ii] в области

1 (при температурах не ниже 1,5 К) позволили авторам установить необычные температурные зависимости ширины и форш линии магниторезонансного поглощения. Интересным явилось то, что проведенные в этих работах эксперименты дали возможность привлечь для объяснения полученных данных модель низкоэнергетических возбуждений в атомах вещества использующую понятие магнитных двухуровневых систем (ДУС) [13, ^.Однако, тахте эксперименты, проведенные в области ti-w/кЛ"«\ не позволяют пренебречь влиянием тепловых механизмов рассеяния энергии в магниторвзонансных исследованиях, в связи с чем автором с сотрудниками был предпринят цикл экспериментов в условиях крайне высоких частот, при температурах 0,3 К - 250 К

[iBa, 13а] . Максимальное значение tu) / к/Т при этом достигало значения 10,

В ходе таких экспериментов измерены значения намагниченности данных возвратных сплавов, находящихся как в однородной магнитной фазе,так и в области магнитонеупорядоченного состояния, показано, что эта величина стремится к насыщению при т-*о.

- 23 -

. Нообычное поведение огибазздей линии магнитного резонанса в зависимости от температуры позволяет иЬвлечь весьма ванную физическую инфорлацию о колебательных процессах, происходящих в описываемых сплавах с концентрациями Ре вблизи тройной точки магнитных фазовых состояний. Форма резонансной линии с понижением температуры начинает деформироваться, причем сте-пзнь деформации там больэе, чем концентрация блшаэ к критической. При этом, линия, имеющая почти лорэнцеву форму в области высоких температур по гэрэ понигения температуры уширяется (в осповном в сторону более низких магнитннх полей), и, в частности, для концентраций х =8$.(максимально близких к критически?.!) на ней образуется пяатообразный участок, закатный уеэ в области голиовых температур.

Чрезвычайно иктерэсним является образованно на линии магнитного резонанса для сплава с х = 6% узкого ( П = 0,02 Т) пика поглощения. Пик проявляется в области темпоратур т 21 1С. По мэре понижения тогшературы этот пшс смещается в область более низких полей л при т -4 15 К исчезает. Вавши является то, что образование такого "узкого" резонансного пит происходит при температурах вблизи тешературы спин-стеколыгого перехода , что говорит о возшткнозокдп вблизи тройной точки некой почти независимой от ферромагнитной, резонансной подсистемы. Малая ширина этого "узкого" пика говорит о том, что такая подсистема характеризуется Езська слабым взаимодействием с ферромагнитной системой . Сведение этой резонансной кривой в область низких полей при пошкэннп температуры селдотзль-ствует об умзньшзкии расстояния между ео уровнями и послэдго-щем вырождении самой такой подоистомы.

Проанализирована также зависимость от температуры средней ширины Г(т) и сродней резонансной частоты д сор(Т) линии. Для всех значений кокцеяграцдй Ре аксгорямэнты проасдн-лись в области температур, где в статическом случае (при малых величинах постоянного магнитного поля) в данном магнетике возможно существование как коллЕпеарпой (ферромагнитной) так п нэколлинеарных фаз. Анализ полученных данных указывает на наличие в этих вкспэртэнтах трех характерных- температурных областей с различными температурными зависимостями ширины линии ( Г(Т) )и АЫр(Т) и, следоззатэльно, с различными

механизмами поглощения электромагнитного поля в веществе. Эксперименты показали, что в широком диапазоне температур, начиная с 30 К и вплоть до 0,3 К наблюдается постоянный рост Г(т) (а также - л "р бт) ). Причем зависимость ширины линии от концентрации оказывается немонотонной и имеет максимум при х -8%.

Полученные экспериментальные данные были проанализированы с привлечением существующих на сегодняшний день теоретических моделей магнитных ДУС [13 ] . Так, например, в первой области -области "очень высоких температур" 30 К < Т < 200 К ( "Ясо/кТ « -1 ) температурная зависимость ширины линии практически не прослеживается (ширина линии для различных концентраций Ре равна 0,16 Т - 0,26 т . Эта картина говорит о том, что уровни коллектива ферромагнитных атомов оказываются достаточно хорошо определенными благодаря сильному обменному взаимодействию.

Согласно модели магнитных ДУС [13] , в применении к "поглощению электромагнитной энергии, уширение линии магниторезо-нансного поглощения определяется в основном двумя механизмами: "релаксационным" механизмом, описывающим рассеяние СБЧ мощности за счет изменения электромагнитной волной расстояния между туннелиружщими уровнями энергии в магнитных ДУС, и "резонансным", описывающим прямое поглощение СВЧ волны набором магнитных ДУС в сплава.

Эксперименты, проведенные в данной работе в области "вы-сшсих" температур 2 К < Т < 30 К ( И со/иТ & А ) обнаружили, что температурное уширение линии магнитного резонанса Г(т) достаточно хорошо описывается эмпирической зависимостью Г(т) = Го -*- Г, -Т-ехр (-т/Го) .где Го - температурю независимая ширина линии; Г.,, То - константы, зависящие от типа магнетика. Такая зависимость соответствует проявлению релаксационного механизма взаимодействия электромагнитной волны с коллективом магнитных ДУС и хорошо коррелирует с данными экспериментов, полученными в [II] при условии со /кТ < 4 .

- 25 -

В области же "низких" температур (0,3 К<Т<3 К), (I <'ксо/к,т< ю ), полученные [22а] экспериментальные данные демонстрируют значительное расхождение с теоретическими представлениями [и,13] , что говорит о сложности и недостаточной изученности исследуемого явления. В частности, обнаружено, что в этом диапазоне температурная зависимость ширины линии описывается законом Г(т) = А/Т . Такая, линейная от Т"1 зависимость в рамках теории магнитных ДУС соответствует случаю, когда за уширение линии ответственен в основном резонансный механизм поглощения электромагнитной волны.

В заключении сформулированы основные научные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы и отмочены перспективы дальнейших исследований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВСЩЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные результаты работы состоят в следующем:

Для целей экспериментального изучения свойств твердого тела, обладающего нескомпенсированным электронным магнитным моментом, с помощью радиофизических методов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн разработано аппаратурное обеспечение экспериментов, позволяющее проводить исследования в области температур т < I К, то есть в условиях к со /к.Т >> Л.

Аппаратурный комплекс создан на базе комплекса "БУРАН" (построенного автором и рядом сотрудников ИРЭ АН Украины). Модифицированный комплекс "БУРАН-М" обладает более широкими экспериментальными возможностями, которые определяются осуществлением автоматизации эксперимента, расширением области рабочих температур до практических комнатных (0,3к- 250 К), использованием семейства специально разработанных электродинамических и радиотехнических устройств. Разработаны методики проведения магниторезонансного эксперимента как в слабых, так и в сильных электромагнитных полях, обеспечивающие достоверность регистрируемых данных в области как сверхнизких, так и высоких температур.

В области /к.Т > Л изучены магнитоспектроско-

пические свойства электронной структуры парамагнитных веществ поляризованных ядерных мишеней. Полученные температурные зависимости магниторезонансного поглощения спиртовых.комплексов и

• - 26 -облученного аммиака показали эффективность применения этих веществ при' .самых, низких температурах не только дая физики высоких энергий, но также и для развития методов СЕерхнизкотемпера-турной магнитной спектроскопии.

Показана возможность возникновения-в исследованных веществах мишени в области .' "Й-ю/к-Т > \ магнитной фаз и с замороженными электроннюш спинами. Приведены оценки энергетических характеристик глагкитнкх двухуровневых систем в электронной структуре мишани, а также оценки концентрационной зависимости. энергии расщепления таких двухуровневых систем.'

Проведено экспериментальное изучение свойств нелинейного квазиоптического двухзеркального резонатора с магнитным за- ' полнением, насыщающимся при сильных СВЧ полях при низких и . сверхнизких температурах. В таком существенно нелинейном объекте в стационарных, условиях эксперимента'обнаружено появление двух стабильных состояний, одно из которых соответствует мало-цу, а второе - большому значению коэффициента передачи (явление амплитудной бкстабильности нелинейной электродинамической структуры).

Продемострирована возмскность наблвдзния двух возможных типов амплитудной бистабильности - дисперсионной и абсорбционной. В ходе экспериментов найдены условия реализации и исследования этих двух типое бистабильности практически раздельно.

Эксп ерикен тально обнаружено, что в условиях, близких к появлению бистабильности в исследуемом нелинейном резонаторе проявляется эффект дифференциального усиления высокочастотного СВЧ сигнала промодулированного низкочастотной огябащей, несущей полезную информацию.

Показано,.что найденные фундаментальные свойства нелинейного квазиоптического резонатора обнаруживаются как в ОР с металлическими .отражателями,;так и со слоистыми диэлектрическими.

Изучено прохождение через нелинейную электродинамическую структуру' СВЧ -импульса с широкополосной огибающей и предложен механизм, описывающий преобразование его формы.'

Методами электронного спинового резонанса в широкой области частот температур КГ* < %ю/кТ < 10 исследованы магнитные свойства кристаллически и-магнитно'неупорядоченных систем -металлических.стекол. Продемонстрирована эффективность методов

свэрхнизкотомпературной магниторезонансной спектроскопии миллиметрового диапазона как инструмента для изучения неупорядоченных систем. '

, Результаты исследования ферромагнитных металлических стекол показали возможность изучения данными методами концентрационных, кристаллизационных и эвтектических характеристик ai.r-"."DHKx металлов.

Исследовано кагниторэзонапсное поглощение в возвратных аморфных сплавах. Обнаружено проявление в таких системах магнитных двухуровневых систем (ДУС) и показано удовлетворительное согласие эксперимента и модели ДУС в области ?Ш/кТ« 1 .Предложено объяснение расхождения между описанием матаиторезонаксного поглощения при ("К-со/кЛ" » -t) в рагжах модели ДУС и

реальной ситуацией. НаДдрны окспериментальныз условия для раздельного проявления и изучения резонансного и релаксационного взаимодействия магнитных ДУС с электромагнитной волной..Показано, что при hu> /к-Т > А основным механизмом, отвечающим за уширение линии поглощения и сдвиг частоты является резонансны:! механизм.

Определены величины энергии расщепления магнитных ДУС б исследованном возвратном металлическом стекле. Вблизи.тройной . точки магнитных фазоЕых. состояний обнаругэко проявление дополнительной практически независимой магнитной подсистемы, обусловленной изияниом фрустаций на характер -взаимодействий электронных спинов.

• Цитированная литература

1. Абрагам А. Ядерный магнетизм. - м.: ИЛ. - 1963. - 551с.

2. Кпттель Ч. Введение з физику твердого тела. - М.: Мир. -1963.- 697с..

3. Вонсовский C.B. Магнетизм. - М.: Наука, - 1971. - 1032с.

4. АхиезерА.И., Барьяхтар В.Г., Полетшнский C.B. Сшгасзн-^ волны. - I.Î.: Наука. - 1967. - 368 с. ,

5. Еременко В.В. Введение в оптическую спектроскопию магнетиков. -Каев: Наук.думка. - 1990, - 335с.

6. Гинзбург С.Л. Необратимые явления ч сгансяых стеклах. -М.: Наука. - 1989. - 149с,

- 28 -

7. Anderson P.W., Halperin B.J., Varma C.M. Anomalous low temperature thermal properties of glasses and spin glasees // Phys. Mag. - 1985. - V.25. - P.1-9.

8. Moorjani K., Coey J.U.S. Magnetic glasses. - New York: Elsevier Science Publ. Сотр. - 1984. - 525 p.

9. Вертий A.A., Карнаухов И.М., Шестопалов В.П. Поляризация ядер динамическими методами. - Киев: Наук.думка. - 1990. -247с.

10. Гиббс X. Оптическая бистабильность. - М.: Мир. - 1988. -595с.

11. Manheimer М.А., Bbagat S.M., Webb D.J. Two level systems and FUR near the ferromagnet spin-glass transition // J. Appl. Phye. - 1985. - V.57, N 8 (part II). - P.3476-5478.

12. Гюндтеродт Г., Бек Г. Металлические стекла. - М.: Мир. -1983. - 376с.

13. Continentinо U.A. Dynamic theory of ferromagnetic to spin-glass transition // Phys. Rev. B. - 1983. - V.27, N 7. -P.4351-4358.

Villain J. Two level systems in spin-glass model // J. Phys.

1C. Solid State Phys. - 1977. - V.10. - P.4793-4803.

ПУБЛИКАЦИИ

• Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

la. Vertiy A.A., Ivanchenko I.V., Popenko N.A., Tarapov S.I. et al. A millimeter wave radiospectrometer for material analysis

' below 1=1 К // Intern. Journal of I&MMW. - 1989. - V.IO, • N 3. - P.395-404.

2a. Golik A.V., Tarapov S.I. Top-loading high-power dilution refrigerator for radiophysical studies // Cryogenics. -1992. - V.33, КЗ. - P.330-331.

За. Вертий A.A., Иванченко И.В., Попенко H.A., Тарапов С.И. Резонансные ячейки радиоспектрометра миллиметрового диапазона, работающие при Т<1 к//ПК. т 1988. - №.2. - C.I07-III.

4а. Vertiy A.A., Golik A.V., Koiolyuk A.I., Tarapov S.I., Sheato-BalovV.P. Magnetic resonance in' amorphous metals based on Fe in the millimeter wave range' // Intern. Journal of I&1QIW. -1989. - V.10, H 12. - P.1451-1457.

5a. .Вертий А.А., Гаврилов С.П., Тарапов С.И., Шестопалов В.П.

Наблюдение явления бистабильности в условиях'магнитного резонанса на миллиметровых волнах// ДАН СССР. - 1990. -T.3I3, №.4. - С.849-853. 6а. Вертий А.А., Голик А.В., Королак А.П., Тарапов С.И., Шес-топалов В.П. Магнитный резннанс в металлических стеклах в миллиметровом диапазоне длин волн// ДАН СССР. - 1990. -Т.314, Й.2. - С.337-339. 7а. Вэртий А.А., Беляев А.А., Тарапов С.И. и др. Исследование спектральных характера'с тик аммиака, облученного при 90 К// ДАН СССР. - 1930. - Т.314, Я.6. - с.1389-1391. 8а. Вертий А.А., Гаврилов С.П., Тарапов С.И. и др. Искажение формы неоднородно-уширенной линии ЭПР резонансной нвазп-оптической системой// Оптика и спектроскопия. - 1991. -Т.70, В.5. - с.I049-1053, 9а. 7ertiy A.A., Golik A.V., Tarapov S.I. líicrowave magaetic resonance ia some quiolc hardeaed metal glasses // Intern. Journal Of I&MÜW. - 1991. - 7.12, Ы 10. - P.1222-1231.

10a. Вертий А.А., Гетьманский H.B., Тарапов С.И. и др. Зкспери-мэнтальное исследование стабильных комплексов Crv при низких температурах - Международная конференция spm -89. СССР. Протвино. 1990. - С.390-392.

На. Алексеев Е.А., Белецкий Н.Н., Тарапов С.И. и др. Дифракционный квазиоптический модуль для исследования магнито-плазменных поверхностных волн// ПТЭ. - 1992. - №.4. -С. 123-127.

12а. Вертий А.А., Гаврилов С.П., Тарапов С.И., Шестопалов В.П. Безинверсионное усиление информационного сигнала в пассивном квазиоптическом резонаторе// ДАН России. - 1992. -Т.323, Й.2. - С.270-273.

13а. Гавриленко М.В., Сурженко А.В., Такзей Г.А., Тарапов С.И. и др. Возвратные переходы с образованием спинового стекла в аморфных сплавах ■ (Ъ^ч-х )„Ъщ8119 и (Ре^СгД^ Препринт ИТФ-92-17Р. Киев: Институт теор. физики АН Украины, 1992.-С.28.

14а. Vertiy A.A., Gavrilov S.P., Tarapov S.I. The transniasion and Mstability of a non-linear quaaioptioal resonator in ESR-conditions in ruby // Intern. Journal of 1ЫВД. - 1992. V.13, H 9. - P.84-3-860.

15a. Vertiy A.A., Gavrilov S.P., Tarapov S.I. Magnetoresonance quasioptical transistor. - SPIE-proceedings. Tech. Conf. 1ШП Eng.. USA. bo8-Angelos.-1993.-V.1874,K 12.-P.895-897.

16a. Vertiy A.A., Gavrilov S.P., Tarapov S.I. Non-linear quasi-optical cell with polarized nuclear target (PNT) material// Intern. Journ. of I&MMW. - 1993. - V.14, N 3. - P.185-195.

I7a. Вертий A.A., Гаврилов С.П., Тарапов С.И. Бестабильность многослойной структуры в условиях магнитного резонанса на миллиметровых волнах//Письма в ЕГО. - 1993. - Т.19, В.З. -C.I-4.

18а. Белозоров Д.П., Вертий А.А., Голик А.В., Тарапов С.И. Низкотемпературное магниторезонансное поглощение в аморфных магнетиках на основе железа// ФНТ. - 1993. -Т.19, J6.7. - С.769-772.

19а. Вертий А.А., Голик А.В., Такзей Г.А. Магнитный резонанс в возвратных спиновых стеклах (Psxliii-x^77B13Siio // Письма в ЖЭТФ. - 1993. - Т.57, В.7. - С.436-438.

20а. Belozorov D.P., Golik A.V., Tarapov S.I. et al. Magnetic resonance in reentrant alloye at low temperature. - Int. Conf. ЕЫМА'93. Slovakia. KoSice. - 1993. - A-P-03. - P.47.

21a. Тарапов С.И. Низкотемпературное уширение линии магнитного резонанса в веществах поляризованных ядерных мишеней// ФНТ. - 1993. - Т.19, W.9. - С.1043-1045.

22а. А.с. M672I67 СССР, МКИ4 Р 25J 1/00. Устройство для получения низких температур/А.В.Голик,С.И.Тарапов.Опубл. 23.08.91. Бюл. №31.

23а. Belosorov D.P., Vertiy A.A., Golik A.V., Tarapov S.I. Low temperature FMR linewidth in reentrant magnets // Physics Letters A. - 1993. - V.180. - P.389-391.

24a. A.c. Ж300356 СССР,, Ш^о OIN 24/10. Резонансная ячейка спектрометра/ А.А.Вертий, И.В.Иванченко, С.И.Тарапов и др. Опубл. 30.03.87. Бш. JSI2.

25а. А.с. JH368753 СССР, f.KH4G OIN 24/10. Резонансная ячейка спектрометра/А.А.Вертий, И.В.Иванченко, С.И.Тарапов и др. Опубл. 23.01.88. Бш. №3.