Нейтронная спектроскопия низкоэнергетических состояний 4f-элeктpoнoв в соединениях церия и неодима с алюминием

Василькевич, Олекеандр Антонович

Нейтронная спектроскопия низкоэнергетических состояний 4f-элeктpoнoв в соединениях церия и неодима с алюминием тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Василькевич, Олекеандр Антонович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Киев МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Автореферат по физике на тему «Нейтронная спектроскопия низкоэнергетических состояний 4f-элeктpoнoв в соединениях церия и неодима с алюминием»

Автореферат диссертации на тему "Нейтронная спектроскопия низкоэнергетических состояний 4f-элeктpoнoв в соединениях церия и неодима с алюминием"

- , , НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

? » ^ ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

2 з \\0fl

Василькевич Олександр Антонович

УДК 539.21

НЕЙТРОННА СПЕКТРОСКОПІЯ НИЗЬКОЕНЕРГЕТИЧНИХ СТАНІВ 4<!-ЕЛЕКТРОНІВ В СПОЛУКАХ ЦЕРІЮ ТА НЕОДИМУ З АЛЮМІНІЄМ

01.04.07 - фізика твердого тіла

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Київ - 1998

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в НЦ “Інститут ядерних досліджень” НАН України Науковий керівник

доктор фіз.-мат. наук Слісенко Василь Іванович,

НЦ “ІЯД” НАН України, завідувач відділу

Офіційні опоненти:

доктор фіз.-мат. наук, професор Гнатенко Юрій Павлович,

ІФ НАН України, завідувач відділу

доктор фіз.-мат. наук, старший науковий співробітник Дзюблик Олексій Ярославович,

НЦ “ІЯД” НАН України, провідний науковий співробітник

Провідна установа

Фізичний факультет Київського університету ім.Тараса Шевченка, м.Київ.

Захист відбудеться 1998р. о -/^^год. на засіданні

спеціалізованої вченої ради № Д2К159.01 при Інституті фізики НАН України за адресою: 252650, ГСП, м.Київ-22, пр. Науки, 46.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики НАН України за адресою: 252650, ГСП, м.Київ-22, пр. Науки, 46.

Автореферат розісланий 1998 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради'

Іщук В.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Фундаментальні дослідження рідкісноземельних (РЗ) елементів та сполук на їх основі, і зокрема інтерметалічних сполук, пов'язані з прикладними задачами, оскільки ці матеріали знайшли широке використання в останні 20-30 років у чорній металургії та металургії спеціальних сплавів, лазерній та авіаційній техніці. Застосовуються вони в ядерній технології та як накопичувачі водню, а також при конструюванні постійних магнітів з рекордними параметрами і т.д. Сполуки РЗ-елементів з алюмінієм завдяки їх легкості, високій корозійній стійкості і міцності знаходять широке застосування в різних областях нової техніки.

Одним із чинників, які обумовлюють різноманітні і часто унікальні властивості сполук РЗ-елементів, є взаємодія електронів незаповненої Дї-обо-лонки з кристалічним електричним полем (КЕП). Ця взаємодія значно менша сиін-орбітальної взаємодії і зводиться до зняття виродження основного муль-тшілету РЗ-іону за повним моментом X В результаті цього основний мульти-плет розщеплюється на ряд рівнів (рівні КЕП). Конкретний характер розщеплення визначається симетрією КЕП, його величиною та числом 4{-електронів.

Виникнення тонкої структури основного мультиплету зумовлює аномальну поведінку магнітних, термодинамічних та електричних властивостей РЗ-сполук (парамагнетизм Ван-Флека, аномалія Шотткі, додатковий електричний опір).

Ефекти, пов'язані із взаємодією 4[-електронів з КЕП, досить детально вивчені в солях РЗ-елементів, тоді як по відношенню до металів це питання довгий чаа залишалось дискусійним, оскільки наявність в них електронів провідності (ЕП) блокувала використання традиційних методів досліджень. І тільки застосування методу нейтронної спектроскопії дозволило виявити і систематично вивчати ефекти КЕП в інтерметалічних сполуках РЗ-елементів. На сьогоднішній день ця область фізики твердого тіла інтенсивно досліджується, але не дивлячись на це, ряд принципових проблем, в тому числі проблема ролі ЕП у формуванні КЕП в металах, ще не вирішені. Тому актуальними залишаються дослідження інтерметалічних сполук і особливо сполук з орторомбічною точковою групою симетрії РЗ-іону, оскільки системи з високою симетрією КЕП, головним чином, вивчені. ■

З іншого боку, деякі із сполук церію за своїми властивостями не мають аналогів і розглядаються останнім часом як принципово новий клас металічних речовин. Це так звані концентровані кондо-системи (ККС). Визна-

чальна роль у формуванні їх унікальних властивостей належить сильній взаємодії 4{-електронів з ЕП (я-^взаємодія), яка через кондовські флуктуації спіну (КФС) приводить до компенсації ефективного магнітного моменту іону Се3+ і, отже, до послаблення непрямої взаємодії між РЗ-іонаіЧИ. Внаслідок цього ряд ККС втрачав здатність до магнітного впорядкування (немагнітні кондо-гратки), хоча основний стан є магнітним.

Основним методом при дослідженні ефектів, зумовлених обома видами взаємодії 4і-електронів в металах, є метод непружного розсіяння нейтронів (НРН). Наявність у нейтронів магнітного моменту і відповідних енергій сприяла становленню та виділенню їх як окремого, потужного методу досліджень кристалічної та магнітної структур, динаміки конденсованого стану речовини. Ефективним цей метод, а саме метод непружного розсіяння нейтронів, виявився при вивченні низькоенергетичних станів 4Ьелектршгів в інтерметалічних сполуках рідкісноземельних елементів, де він має принципову перевагу перед іншими методами (оптичними, ЕПР, ефектом Месбауера), яким в цьому відношенні властиві досить жорсткі обмеження.

Джерелом повільних нейтронів в наших експериментах був реактор ВВР-М НЦ “ІЯД” НАН України, якому властивий максвеллівський розподіл нейтронів за енергією з максимумом поблизу 70меВ. В експериментах з НРН

використовувались монохроматичні нейтрони з енергією -ІЗмеВ (~2,5А).

Необхідно відзначити, що дослідження ефектів КЕП методом НРН в Україні проводяться виключно в НЦ “ІЯД".

Зв'язок роботи з науковими темами. Дослідження, на яких грунтується дисертаційна робота, виконані в плановому порядку за науковими темами НАН України: “Кристалічні електричні поля в сплавах на основі рідкісноземельних елементів” (1986—1990рр.), №держ.реєстр. 01.86.0.059817; "Динаміка гратки і кристалічні поля систем з високотемпературною надпровідністю" (1991—І994рр.), №держ.реєстр. 01.91.0033643; “Дослідження динаміки перерізів взаємодії швидких нейтронів з парно-парними ядрами та механізмів цих взаємодій” (1994—1997рр.), №держ. реєстр. 0194Ш01934.

Мета і задачі дослідження. Дисертаційна робота присвячена дослідженню методом НРН енергетичної структури основного

мультиплету 4Ь/2 і 2^5/2 іонів Ш3+ і Се3'' в інтерметалічних сполуках з орто-ромбічною (Щ2АІ, ШАІ, ШзАІц, СеАІ, Се3А1п) та гексагональною (Се3А1) точковими групами симетрії РЗ-іону. Сполуки СеАІ, Се3АІп і Се3АІ належать

до ККС. Об'єкти досліджень вибирались таким чином, щоб мати можливість виявити вплив заміни РЗ-іону на розщеплення основного мультиплету в межах ізоструктурної групи, оскільки раніше методом НРН досліджувалось кристалічне поле в сполуках РгхА1у з аналогічною точковою групою симетрії іону Рг3+.

Виконання робота передбачало вирішення ряду задач:

- одержання спектрів НРН на сполуках СехА1у і ШхА1у;

- проведення на основі спектрів НРН розрахунків тонкої структури основного мультиплету іонів церію та неодиму в КЕП досліджуваних сполук;

- визначення впливу рівнів КЕП на макроскопічні властивості сполук СехАІу і ШхАІу;

- дослідження КФС в сполуках СехАІу та їх впливу на магнітні властивості цих ККС;

- виявлення впливу з-ї-взаємодії на КЕП.

Наукова новизна одержаних результат і в. Вперше проведено систематичне дослідження тонкої структури основного

мультиплету 9/2 і *5/2 іонів Ыс13+ і Се3* в інтерметалічних сполуках Ш2А1, ШАІ, Ш3АІ,„ СеАІ, Се3АІ„ з орторомбічною і Се3АІ з гексагональною точковими групами симетрії РЗ-іону.

Вперше для концентрованих кондо-систем виявлено температурне зміщення рівнів КЕП. Цей ефект має місце в Се3А1.

Вперше експериментально показано існування в Се3А1 двох типів КФС - повільних та швидких.

Вперше експериментально встановлено, що флуктуації спіну в СеАІ, Се3А1,„ Се3А1 зумовлюють зменшення магнітної сприйнятливості.

Одержані результати дозволяють сформулювати ряд основних положень:

Величина енергії повного розщеплення основного мультиплету РЗ-іону зростає з пониженням симетрії КЕП і збільшенням хвильового вектора Фермі та зменшенні повного моменту кількості руху.

Сильна я-^взаємодія в концентрованих кондо-системах справляє “антиекрануючий” вплив на КЕП.

Кондовські флуктуації спіну в ККС приводять до зменшення їх магнітної сприйнятливості.

Наукова і практична значимість. Експериментальні результати, які подаються в роботі, відкривають нові перспективи у вико-

ристанні нейтронної спектрометрії. Вони сприятимуть більш глибокому розумінню особливостей розщеплення основного мульпшлету РЗ-іону в металах з орторомбічною симетрією КЕП і створенню реалістичної теорії кристалічного поля, в якій би враховувались кулонівський та обмінний внески електронів провідності, що є центральною проблемою у вивченні природи КЕП в металах.

Одержані схеми рівнів основного мультиплету дозволяють виявити вплив КЕП на макроскопічні фізичні властивості досліджуваних сполук в межах ізоструктурних груп і до певної міри прогнозувати ці властивості при розробці нових матеріалів.

Виявлений взаємовплив взаємодії Д^електронів з ЕП та з КЕП і обмінною взаємодією між РЗ-іонами в ККС стимулюватимуть нові експериментальні роботи для систематичного вивчення цих ефектів.

Особистий вн.есок здобувача. Автор дисертаційної роботи брав безпосередню участь в розробці теми, постановці і проведенні експериментів з НРН, розрахунках та аналізі одержаних результатів, формулюванні висновків та написанні статей, доповідей, тезів.

Досліджуванні зразки були виготовлені в Київському університеті ім. Тараса Шевченка.

Експериментальні дослідження питомої теплоємності проведено в Ужгородському державному університеті.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на щорічних наукових конференціях НЦ “ІЯД” НАН України (1994—1996рр.); XI Всесоюзній нараді з використання нейтронів у дослідженнях фізики твердого тіла "(Гатчина, 1991р.); міжнародній конференції “Фізика в Україні” (Київ, 1993р.); міжнародній конференції “Благородні та рідкісноземельні метали” (Донецьк, 1994р.); міжнародному семінарі “Фізика магнітних явищ”, (Донецьк, 1994р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 18 друкованих праць в зарубіжних, вітчизняних журналах, збірниках і матеріалах наукових конференцій та семінарів. Список основних публікацій наведено в кінці автореферату.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел, що містить 196 посилань. Вона викладена на 176 сторінках машинописного тексту, включаючи 49 рисунків і 9 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкривається стан проблеми досліджень, обгрунтовується актуальність теми, формулюється мета і основні задачі роботи, визначається її новизна та практична значимість.

В першому розділі подається елементарна теорія КЕП, коротко розглядаються інші модельні уявлення про кристалічне поле.

Елементарна теорія КЕП грунтується на припущенні, що кристалічне поле має симетрію кристалічної гратки поблизу вузла, зайнятого РЗ-іоном. Цс дозволяє обмежити число членів при розкладі потенціалу КЕП за сферичними функціями. Оскільки для РЗ-елементів досить добре виконується наближення слабкого КЕП, то мультиплети цього поля характеризуватимуться квантовим

числом 1 = Ь + Б. Цей факт дозволяє перейти, з метою спрощення розрахунків, до ¡І,М;)-зображення. Остаточно гамільтоніан КЕП матиме вигляд

де О™ -еквівалентні оператори Стівенса;

Впт -феноменологічні параметри КЕП.

Матричні елементи операторів О™ протабульовані для всіх значень і, властивих РЗ-іонам, тому визначенню (теоретично або експериментально) підлягають параметри КЕП В™. Число членів в (1) в свою чергу обмежується симетрією кристалічного поля. Зокрема, при наявності вісі симетрії другого порядку та центра інверсії у виразі (1) залишатимуться тільки члени з парними індексами п і ш. Тому у випадку гексагональної точкової групи симетрії РЗ-іону і ]=5/2 (іон Се3+) гамільтоніан (1) має вигляд

З переходом до КЕП орторомбічної симетрії, число членів в (1) при тому ж значенні і зростає до п'яти

(1)

п=2т=0

(2)

Для КЕП цієї ж симетрії та.]=9/2 (іон Ш3+) в гамільтоніані (1) з'являються ще чотири члени шостого порядку.

Елементарна теорія КЕП широко використовувалась для інтерпретації експериментальних даних, одержаних для ізоляторів. Застосування її до металів зустрілось з певними труднощами, основними з яких є коректне визначення внеску в потенціал КЕП електронів провідності. В цьому відношенні систематичні експериментальні дослідження в ряду ізоструктурних груп сприятимуть створенню теорії КЕП металів.

В розділі розглядається також метод непружного розсіяння нейтронів, показано, що детальну інформацію про рівні КЕП дає подвійний диференцій-ний переріз (ПДП), одержаний в дипольному наближенні

(ТО

ч(І£сЮу

Р (к)е

(Ж

к01-ехр(-є/квт)ив

п,ш

-ЕП=Е,

(4)

де к = к| - к0 -вектор розсіяння;

Р(к) -магнітний формфактор;

£=Е0-Е, -зміна енергії нейтрона в процесі розсіяння;

к0, Е0 і к,, Е[ -хвильові вектори та енергії падаючого і розсіяного нейтронів відповідно;

Р(є,Гпш) І Р(є-Дш> Гііп?1) -спектральні функції відповідно пружного та непружного розсіяння нейтронів, а і /¿т1 >х півширшш; д =Р-Е ■

іип п

Хс° -сприйнятливість Кюрі т-го рівня;

-сприйнятливість Ван-Флека, зумовлена переходами між рівнями КЕП з енергіями Е„ і Ет.

Визначаються ці сприйнятливості наступним чином

де Рг

= ехр|-Ет/квт)/І ехр(-Еп/квт) -фактор заселеності т-го рівня;

Л -компонента оператора повного моменту кількості руху, перпендикулярна вектору розсіяння к.

Вираз (4) - це набір піків, положення яких відповідає різниці енергії Апт рівнів піт, між якими дозволені магнітодипольні переходи. Квадрати матричних елементів |(п(Іх(гп)| описують імовірність переходів і, отже, їх інтенсивність. Порівнюючи ПДП, розрахований за (4) з експериментальним, молена визначити енергії та хвильові функції станів 4ї-електронів. В цьому розумінні метод НРН є прямим методом дослідження енергетичної структури основного мультиплету РЗ-іоку в КЕП.

В розділі приведено короткий огляд результатів експериментальних досліджень КЕП методом НРН в інтерметалічних сполуках РЗ-елементів з алюмінієм. Як випливає з огляду, в більшості робіт об'єктами досліджень були сполуки з кубічною та гексагональною симетрією кристалічної гратки. В той же час мало вивчено КЕП з низькою симетрією.

В останніх двох підрозділах першого розділу розглянуто характерні властивості концентрованих кондо-систем та результати нейтронних досліджень КФС в ККС.

В другому розлілі описуються експериментальні установки, на яких проводились дослідження. Основні результати були одержані на багатодетек-торному спектрометрі за часом прольоту, встановленому на 1-му горизонтальному каналі атомного реактора ВВР-М НЦ “ІЯД" НАН України. Для атестації зразків досліджуваних сполук використовувався тривісний кристалічний спектрометр N$N-2, розміщений на 4-му горизонтальному каналі реактора ВВР-М. .

Подається методика визначеній власних енергій та власних хвильових функцій рівнів КЕП на основі нейтронних спектрів. Схема розрахунків

наступна: для деякого вихідного набору параметрів гамільтоніану КЕП В„ розв'язується вікове рівняння

Рмм'-^мм'Г0'

(7)

де Нмм/ -матричні елементи гамільтоніану КЕП відповідної симетрії в базисі хвильових функцій РЗ-іону незбуреного стану;

М-нроекція повного моменту кількості руху на вісь Z.

Одержані власні значення енергії та власних хвильових функцій далі використовуються для розрахунків ПДП (4). Після чого за спеціальною процедурою здійснюється перехід до нейтронного спектра за часом прольоту. Зміною параметрів В™ добиваємось задовільного збігу обох спектрів. Критерієм при цьому служить середнє квадратичне відхилення розрахункового спектра від експериментального. Методика розрахунків реалізована у вигляді пакета фортранівських програм.

Описані фізичні параметри об'єктів досліджень та технологія їх виготовлення.

ШкА1у і СехА1у. Приводяться оптимальні набори параметрів гамільтоніану КЕП В„ та схеми рівнів основного мультиплету в досліджуваних сполуках. Розрахунки енергетичної структури мультиплету 419/2 іону Щ3+ в сполуках ШхА1у проводились з використанням виразу для ПДП (4), в якому береться до уваги тільки взаємодія 4{-електронів з КЕП. Присутність же в нейтронних спектрах СехАІу квазіпружних ліній свідчить про наявність в цих сполуках КФС, які в свою чергу обумовлені сильною взаємодією 4^електронів з ЕП. Тому по відношенню до цих сполук вираз (4) був дещо модифікований

де Ва і Ра(є.Уа) -інтенсивність та спектральна функція квазіпружної лінії; уа -ширина спектральної функції на половині висоти.

Величина п показує на скільки ліній розкладена квазіпружна частина спектра. Для Се3А1м і СеАІ задовільне узгодження розрахункового та експериментального спектрів мало місце уже при п=1, тоді як для Се3А1 цього вдалося

детально аналізуються спектри НРН на сполуках

(ІЄСІП [<к<Ю.)СЕҐ к0і_е;.г

(і2о с12сЛ +к]_____________________

досягти тільки при п=2. Спектральні функції Рпт в (4) апроксимувались гауссіаном, а Р, в (8) -лоренціаном Уа/(Е2+Уа)- та півширини /пт'. їа розглядались незалежними і разом з В™ були підгоночними параметрами.

Рис.1 .Спектри НРН на Се3АІ. Штрихові лінії 1 і 2 -внесок квазі-пружного розсіяння нейтронів; 3 -розсіяння нейтронів на фононах.

На рис.1 показано спектри НРН під кутом 0=25,1° на Се3АІ для двох температур зразка 100 і ЗООК. В спектрі Се3АІ при 100К на фоні квазі-пружного розсіяння спостерігається два непружних піка, пов'язані з переходами між рівнями КЕП. Максимуми цих піків знаходяться поблизу енергій -3 і -9 меВ. Підвищення температури зразка приводить до зміщення обох піків у бік малих енергій і при ЗООК вони вже виділяються поблизу -1,9 і -6 меВ відповідно. Тобто має місце ефект температурного зміщення рівнів КЕП, якими в даному випадку є дублети Г8 і Г9. Необхідно відзначити, що цей ефект для ККС виявлено вперше. Для сполуки Се3АІ несподіваними виявились ще два факти. Це, по-перше, вище згадане зміщення дублетів Г8 і Г9 супроводжується одночасним зменшенням півширини /пт1 непружних переходів, тоді як для ККС виконується співвідношення 7п"пеІ~5Т1/2, де 5-деяка

постійна. По-друге, це присутність в спектрах цієї сполуки, на відміну від інших ККС, двох квазіпружних ліній (штрихові лінії 1 і 2 на рис.1), півши-рини уа яких відрізняються майже на порядок, що вказує на існування в Се3А1 двох типів КФС -повільних і швидких з часом релаксації й/7і і Й/у2 відповідно.

іі

ці

100К

ЗООК

ШАІ N¿^1 МД

Рис.2.Схема рівнів основного мультиплету 2Р5/^іону Се3+ і 4І9/2 іону Ш3+ відповідно сполук СехАІу і ШхАІу.

Одержані на основі нейтронних спектрів схеми рівнів основного мультиплету в сполуках ШхА1у і СехА1у приведені на рис. 2. Беручи до уваги наявну інформацію для сполук церію і неодиму з алюмінієм з кубічною та гексагональною точковою групою симетрії РЗ-іону, можна стверджувати, що величина енергії повного розщеплення зростає при пониженні симетрії і зменшенні повного моменту і.

В четвертому розділі проводиться аналіз параметрів А„, які характеризують чисто КЕП і обчислюються, виходячи з В": А„ =В?/(ДОП||1><ГП)КІГ). Зведені матричні елементи ()||0П||І> протабульо-вані для всіх значень і. Відомі також радіальні інтеграли (гп) від хвильових функцій 4{-електронів і коефіцієнти сферичних функцій К™. Аналіз показує,

що на відміну від сполук РгхА1у з орторомбічною симетрією КЕП, де параметри А™ лінійно залежать від концентрації ЕП пе в елементарній комірні, у досліджуваних сполук, а саме Ш„А1у, аналогічна залежність спостерігається тільки для параметрів А®, А2, А®, к\ А®, А^.

Оскільки градієнт КЕП в місці знаходження 4й)болонки пов'язаний з параметром А® співвідношенням

де е -заряд електрону, то з одержаних значень А® випливає, що градієнт Угг зменшується з ростом концентрації ЕП пе при переході від СеАІ до Се3А1и і від Ыс12А1 до Ш3АІи. Необхідно відзначити, що у сполук ШхА1у ця зміна градієнта залишається в межах експериментальної похибки.

В' ізоструктурних рядах ИЕАІ і КЕ3А!П ШЕ=Се, Рг, N(1) концентрація ЕП зростає на -2,3%, а Мп при цьому збільшується на ~44%. Тобто вплив ЕП на потенціал КЕП не зводиться тільки до екранування. Тут, очевидно, має місце як прямий кулонівський так і обмінний внески ЕП в КЕП і їх баланс визначає величину кристалічного поля.

Результати нейтронних експериментів дозволяють визначити внесок тонкої структури в теплоємність (теплоємність Шотткі Сш) та магнітну сприйнятливість (сприйнятливість- Ван-Флека) досліджуваних сполук. На рис.З суцільною лінією показана температурна залежність теплоємності Шотгкі ШАІ, розрахована на основі схеми рівнів енергії основного мультиплету. Кружки - експериментальні значення Сш, одержані калориметричним методом. Розрахункова теплоємність Шотгкі, як бачимо, добре узгоджується з експериментальною, що підтверджує близькість одержаної схеми рівнів до реальної.

Порівняння розрахункової сприйнятливості з експериментальною для сполук СехА1у дозволило виявити вплив на останню КФС.

У звичайних 4Ьиеталів магнітна сприйнятливість в наближенні молекулярного поля описується виразом

-=Л-ь.

X Х°

де х° -сприйнятливість системи невзаемодіючих РЗ-іонів (сприйнятливість Ван-Флека);

X -постійна молекулярного поля.

Рис.З.Теплоємшсть Шотткі сполуки ШАІ.

Згідно з (10) обернена магнітна сприйнятливість 1/х°(Т) повинна проходити паралельно, але у феромагнетиків вище (тобто А,>0), а у антиферомагнетиків нижче (Х<0) експериментальної 1/х(Т).

На рис.4а приведена температурна залежність оберненої магнітної сприйнятливості Се3А1. Кружки -результати дослідження сприйнятливості 1 /Х(Т) методом Фарадея. Суцільна лінія - розрахункова обернена магнітна сприйнятливість. Як видно з рисунка, протягом всього інтервалу температур (4+300К) 1/і(Т)>1/Х°(Т) і вище 50К досить добре описується виразом (10) з -35 моль/емо. Тобто цій сполуці властива антиферомагнітна поведінка сприйнятливості. Дивним тут є те, що в ній взагалі не виявлено переходу в магнітовпорядкований стан. Причиною, що зумовлює зменшення сприйнятливості реальної ККС по відношенню до сприйнятливості системи невзаемодіючих РЗ-іонів є КФС, які приводять до компенсації ефективного магнітного моменту це[( іону Се3+. Дійсно, магнітний момент, розрахований як

М =[(Зкв^аИв)хТ]і/ , прямує до нуля при Т->0 (рис.4б), що характерно для немагнітної кондо-гратки (НКГ).

Рис.4. а-обернена магнітна сприйнятливість Се3А1; б -температурна залежність ефективного магнітного моменту цс(Г іону Се3* в Се3АІ.

Інтересною також є поведінка магнітної сприйнятливості сполук Се3А1п і СеАІ. На рис.5а і 6а наведена температурна залежність їх оберненої сприйнятливості. Як і у випадку з Се3АІ, тут 1/Х(Т)>1/Х°(Т). Проте це має місце лише до певної температури ТХ=15К у Се3АІ„ і 70К у СеАІ, нижче якої 1/х(Т)<1/х°(Т). Крім того, для обох сполук спостерігається відхилення від паралельного ходу 1/х(Т) і 1/х°(Т), що не дозволяє описати їх виразом (10).

Рис.5. а-обернена магнітна сприйнятливість Се3А1„; б -температурна залежність ефективного магнітного моменту рей іону Се3+ в Се3АІп.

Оскільки Се3А1и і СеА\ при 10К переходять відповідно в феромагнітний і антиферомагнітний стан, то таку поведінку їх сприйнятливості можна пояснити лише беручи до уваги з-ї’-взаємодію. Блокування цієї взаємодії ІІККУ-взаємодією спричиняє перехід від 1/х(Т)>1/х°(Т) до 1/х(Т)<1 /х°(Т). Це досить добре проявляється в температурній залежності це([. З пониженням температури, як і у Се3АІ, |іе|ї зменшується, але досягнувши мінімального значення при Ттш~25К у Се3АІи (див. рис.5б) і 80К у СеАІ (рис.66), збільшується при подальшому зниженні температури.

Рис.6. а -обернена магнітна сприйнятливість СеАІ; б -температурна залежність ефективного магнітного моменту іону Се3+ в СеАІ.

Таким чином, температурний інтервал у цих сполук розбивається на дві частини. В першій (Т>ТПІ1) ефективний момент має характерну для НКГ поведінку, тобто тут домінує 5-^взаємодія. В другій частині (Т<Ттіп) переважає ІЖКУ-взаємодія.

В останньому підрозділі четвертого розділу аналізується вплив Б-і-взає-модії на КЕП в Се3А1. Показано, що цей вплив має “антиекрануючий” характер.

висновки

1. Вперше методом непружного розсіяння нейтронів досліджено кристалічне електричне поле в інтерметалічних сполуках Ш2А1, ШАІ, Мсі3Л1и, СеАІ, СезАІ„ з орторомбічною і Се3А1 з гексагональною точковими групами симетрії РЗ-іону. На основі одержаних спектрів НРН розрахована енергетична структура ОСНОВНОГО мультиплету 419/2 Іону Ш3+ І 2Р5/2 іону Се3+. Енергія повного розщеплення дорівнює 20,8; 19,3; 13,9 меВ відповідно у сполук Мс12А1, ШАІ, Ш3А1„ і 38,7; 19,6 меВ у СеАІ, Се3А1„ відповідно.

Вперше для концентрованих кондо-систем виявлено ефект температурного зміщення рівнів КЕП. Він має місце в сполуці Се3АІ. При пониженні температури від 300 до 100К величина енергії повного розщеплення тут зростає від 6,5 до 8,6 меВ.

2. Аналіз одержаних і наявних результатів для сполук церію, празеодиму і неодиму з алюмінієм показує, що величина енергії повного розщеплення зростає з пониженням симетрії КЕП і збільшенням вектора Фермі та зменшенні повного моменту кількості руху.

3. Визначені внески тонкої структури основного мультиплету РЗ-іону л питому теплоємність і магнітну сприйнятливість досліджуваних сполук. Вперше експериментально встановлено, що кондовські флуктуації спіну в сполуках СеАІ, Се3А1и, Се3А1 зумовлюють зменшення їх магнітної сприйнятливості. В Се3А1 цей ефект спостерігається протягом всього досліджуваного інтервалу температур, тоді як в сполуках Се3АІи і СеАІ він має місце тільки до температури Тх=15К і 70К відповідно. Інтенсивніше в порівнянні з Се3А1„ блокування КФС ІІККУ-взаємодією в СеАІ пов'язано з першим збудженим рівнем енергії Г5\ низьке (2,ЗмеВ) розміщення якого сприяє індукуванню основному стану додаткового магнітного момету.

4. Підвищений вміст іонів Се3* в концентрованій кондо-системі Се3А1 приводить до появи інтенсивної сильної Б-ї-взаємодії, вплив якої на КЕП в цій сполуці має “антиекрануючий” характер. Посилення цієї взаємодії в процесі пониження температури обумовлює ріст енергії дублетів Г8 і Г9.

5. Встановлено, що в Се3А1, на відміну від СеАІ і Се3А1„, відбуваються два типи кондовських флуктуацій спіну -швидкі та повільні з часом релаксації, який дорівнює відповідно 2,2-10'13с та 2,1-10_12с при 100К і 1,7-10~|3с і 1,6-10_12с при 300К. Повільні КФС пов'язані з 4(-слектронами, тоді як швидкі з електронами провідності, які знаходяться в квазізв'язаному стані з іоном церію і утворюють навколо нього “кондовську хмарину”.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ:

1. Иваницкий П.Г., Слисснко В.И., Василькевич A.A., Кротенко В.Т., Май-стренко А.Н. Средневзвешенная плотность фононных состояний соединений лантана с алюминием // УФЖ.-1991.-36, №2.-С.291-292.

Участь в розробці та проведені експериментів і розрахунків.

2. Слисенко В.И., Иваницкий П.Г., Василькевич A.A., Кротенко В.Т., Май-стренко А.Н. Исследование кристаллического электрического поля в соединениях Рг2А1 и PrAl методом неупругого рассеяния нейтронов // УФЖ.-1993.-38, №4.-С.601-606.

Участь в розробці та проведені експериментів і розрахунків.

3. Василькевич A.A., Иваницкий П.Г., Слисенко В.И., Кротенко В.Т., Май-стренко А.Н., Маркив В.Я., Ризак В.М., Ризак И.М. Эффекты кристаллического электрического поля в соединении NdAl // ФТТ.-1993.-35, №4-С.947-952.

Участь в розробці і постановці експерименту, проведення розрахунків, аналіз одержаних результатів, формулювання висновків та написання статті.

4. Иваницкий П.Г., Василькевич A.A., Слисенко В.И., Кротенко В.Т., Май-стренко А.Н. Тонкая структура основного мультиплета иона Nd3+ в кристаллическом электрическом поле Nd2Al // Металлофизгоса.-1993.-15, №8-С.83-86.

5. Василькевич A.A., Иваницкий П.Г., Слисенко В.И., Кротенко В.Т., Май-стренко A.H., Маркив В.Я. Кристаллическое электрическое поле и динамика спиновых флюктуаций в соединении СеАІ // ФНТ.-1993.-19, №9.-С.1008-1012.

6. Василькевич A.A., Иваницкий П.Г., Слисенко В.И., Кротенко В.Т., Май-стренко А.Н., Маркив В.Я. Неупругое рассеяние медленных нейтронов в системе с тяжелыми фермионами Се3А1п // УФЖ.-1994.-39, №2,-С.150—154.

7. Василькевич А.А., Иваницкий П.Г., Слисенко В.И., Кротенко В.Т., Май-стренко А.Н., Маркив В.Я. Расщепление основного мультиплета иона Nd3+ в кристаллическом электрическом поле соединенийNdAl и Nd3Alu // ФНГ-1994.-20, №8.-С.810-814.

8. Василькевич O.A., Іваницький П.Г., Пасічник М.В., Слісенко В.І., Кротенко В.Т., Майстренко О.Н. Температурне зміщення рівнів енергії основного мультиплету іону Се3* в концентрованій кондо-системі Се,А1 // Доп. АН України.-1994, №2.-С.65-68.

9. Василькевич A.A. Анализ магнитной восприимчивости соединений CeAl, Се3АІц, Се3АІ на основе экспериментов по неупругому рассеянию медленных нейтронов И Металлофизика и новейшие технологии.-1994.-16, №6.-С.44-48.

Ю.Василькевич A.A., Иваницкий П.Г., Слисенко В.И. Влияние эффекта Кондо на кристаллическое электрическое поле в соединении Се3А1 // ФНТ.-1996.-22, №12.-С. 1390-1395.

11.Василькевич А.А., Иваницкий П.Г., Кротенко В.Т., Майстренко А.Н., Слисенко В.И: Метод неупругого рассеяния медленных нейтронов в исследованиях кристаллического электрического поля.-К.: 1990.—17с. (Препр. / НАН Украины. ИЯИ; 90-16).

Участь в методичних розробках, експерименті та аналізі одержаних результатів.

Василькевич O.A. Нейтронна спектроскопія низькоенергетичних станів 4Ьелектронів в сполуках церію та неодиму з алюмінієм.- Рукопис.

Дисертація на здобуття ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07—фізика твердого тіла- Інститут фізики НАН України, Київ, 1998.

Дисертацію присвячено систематичному експериментальному дослідженню за допомогою непружного розсіяння повільних нейтронів енергетичної структури основного мультиплету іонів церію і неодиму в сполуках з орторомбічною симетрією кристалічного електричного поля (КЕП) та вивченню динаміки кондовських флуктуацій спіну (КФС) в сполуках церію. Встановлено, що величина енергії повного розщеплення зростає з пониженням симетрії КЕП та зменшенні повного моменту кількості руху. Показано, що КФС в концентрованих кондо-системах зумовлюють зменшення їх магнітної сприйнятливості. Сильна взаємодія 4і"-елск-тронів з електронами провідності в Се3А1 має “антиекрануючий” характер впливу на КЕП. її посилення при пониженні температури приводить до зміщення рівнів основного мультиплету в бік більших енергій.

Ключові слова: нейтронна спектроскопія, кристалічне електричне поле, основний мультиплет, кондовські флуктуації спіну, концентровані кондо-системи.

Василькевич A.A. Нейтронная спектроскопия низкоэнергетических состояний 4(-электронов в соединениях церия и неодима с алюминием.-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела-Институт физики НАН Украины, Киев, 1998.

Диссертация посвящена систематическому экспериментальному исследованию с помощью неупругого рассеяния медленных нейтронов энергетической структуры основного мультиплета ионов церия и неодима в соединениях с орторомбической симметрией кристаллического электрического поля (КЭП) и изучению динамики кондовских флуктуаций спина (КФС) в соединениях церия. Установлено, что величина энергии полного расщепления основного мультиплета возрастает с понижением симметрии КЭП и с уменьшением полного момента количества движения.

Показано, что КФС в концентрированных кондо-системах обусловливают уменьшение их магнитной восприимчивости. Сильное взаимодействие 4f-электронов с электронами проводимости в Се3А1 имеет “антиэкранирующее” влияние на КЭП. Усиление этого взаимодействия при понижении температуры приводит к смещению уровней основного мультиплета в сторону больших энергий.

Ключевые слова: нейтронная спектроскопия, кристаллическое электрическое поле, основной мультиплет, кондовские флуктуации спина, концентрированные кондо-системы.

Vasilkevich А.А. Neutron spektroskopy of low-energy states of 4f-elec-trons in compounds of cerium and neodymium with aluminium.-Manuscript.

Thesis for degree of Candidate of Science in speciality 01.04.07 - solid state physics. - Institute of Physics of National Academy of Sciences of the Ukraine. Kyiv, 1998.

The thesis is devoted to systematic experimental research by inelastic scattering of slow neutrons of the energy structure ground multiplet of ions of cerium and neodymium with orthorhombic symmetry of crystalline electric field (CEF) and of dynamic of Kondo spin fluctuations (KSF) in cerium compounds. It has been established, that the value of energy of a complete splitting of the ground multiplet increases with decrease of the CEF’s symmetry and with reduction of the total moment. It is shown, that KSF in concentrated Kondo systems cause reduction of their magnetic susceptibility. The strong interaction of 4f-electrons with conduction electrons in Ce3Al has “antiscreening" influence on CEF. Gain of interaction at lowering of the temperature leads to shift of levels of the ground multiplet towards the bigger energies.

Key words: neutron spectroscopy, crystalline electric field, ground multiplet, Kondo spin fluctuations, concentrated Kondo systems.