Оптические исследование высокотемпературных сверхпроводников и сопутствующих им фаз тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РГ6 од

о ^ да и я с I.

К И С К А Я А К А л Е М И Я НАУК ОТДЕЛЕНИЕ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ И АСТРОНОМИИ

ИНСТИТУТ СПЕКТРОСКОПИИ

На правах рукописи

ПАУКОВ Игорь Владимирович

УДК 538.953;537о6

С

ОПТИЧЕСКИЕ ИСЙЕДОВАНЛЯ ВЫСОК(ШКГГЕРАТУ?11ЫХ сверхпроводников И СОПУТСТВУЭДИХ КМ ФАЗ

Специальность OI.U4.C5 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата фнзико-матоматичесих наук

Троицк - 1994

Работа заполнена в - Институте спектроскопии Академии Наук РОССлИ.

Научный руководитель: доктор ^изико-математичесих наук

?/:.н.попойз

Официальные оппоненты: доктор физико-математичесих наук

профессор Р.3.Левитин

доктор фнзжо-математпчесих наук-Ю.П.Тимофеев

Ведущая организация: Институт общой физики РАН

Защита диссертации состоится " "¿С " ¿ '/ОИ-1 1994г.

в часов на заседании сггоциализировашюго совета Д-002.28.01

по специальности 01.04.05 (оптика) Института спектроскопии РАН по адресу: 142092 г. Троицк Московской области, Институт спектроскопы! РАН.

С диссертацией можно ознакомиться б библиотеке Института спектроскопии РАН.

Автореферат разослан А^-С^Я 1994г.

УчОнцй секретарь специализированного совета доктор физико-матемагичесих наук профюссор

У.К.Сафронова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА PAOOTU Актуальность теми. После открытая в 1983 г. высокотемпературной сверхпроводимости, во всбм мире начались интенсивные исследования высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) и родственных ж«« соединений. Несмотря на большое количество исследовзшЯ, остабтся hg до конца ясным влияние на сверхпроводимость кристаллических дислокаций, двойников, наличия в образцах сопутствующих несверхпроводящих фаз, вносящих вклад в свойства неоднофазшх сверхпроводников.,

Одной из систем, относящихся к ВТСГ1, является натриевая система YEa2C"a307_x. Монокристаллические образцы этих соединений„ имеющие, как правило, развитую двойниковую структуру, представляют большой исследовательский интерес. Потребность в работе с большим количеством таких образцов и эксперименты с образцами, качество которых -¡ужно быстро и многократно или непрерывно проверять делают весьма актуальным нахождение и разработку экспрессного и простого метода, юзволяющего осуществлять контроль и отбраковку большого количества образцов или непрерывного контроля одного образца.

Важным также является изучение сопутствующих Фаз, возникающих, в •ой же фазовой системе, что и сам сверхпроводник RBa,Qii>07_3.u Йк-■ерес к сопутствующим фазам вызван несколькими причинами. Зо-:ервых, они являются стабильными соединениями, возникающими при интезе вместе с ВТСП, и их свойства нужно знать чтобы отделить их т свойств ВТСП при исследованют последних» Во-вторых, исследова-ие свойств соединений, хотя и не сверхпроводящих, но родствегаых верхлроводникам важно, так как они имеют много общего с ВТСП в труктуре, химическом составе и некоторых физических свойствах, эгласно многочисленным исследованиям, в новых ВТСП тесно связаны ттиферромагнетизм и сверхпроводимость. Уже предлагались механизмы ^сокотемпературной сверхпроводимости, в которых магнитные взапмо-5йствия играют определяющую роль. Однако, здесь имеются некоторое эудаости и многое ещЗ остается неясным. В связи с этим, детальке зучаются магнитные свойства как самих сверхпроводников, так а >дственных им соединения. Сравнение свойств тех и других может ¡мочь понять механизм сверхпроводимости в ВТСП и определить нап-тление поисков новых сверхпроводников с более высокими темпера рами перехода. Кроме того, купрзты f^Cu^Oj и R^SaCuO^, содержа-е две мапштные подсистемы - медную и редкоземельную, как магне-ки интересны и сами по себе. Среди методов исследования свойств веществ оптические метод); -.-М'Тся весьма ксаными, и, в ряде случаев, дают информация, нс-до-

ступную другим методам- Данная работа посвящена оптическим исследованиям свойств ВГСП м сопутствующих им соединений.

Цель работы состояла в исследовании свойств ВТСП к сопутствующих им фаз с помощью оптических методов» а также в развитии самих этих методов. При этом решались следующие главные задачи:

1) а) изучение дьойниковой структура монокристаллов УБа2Си30?_х методой поляризационно-оптической микроскопии; б) расширение этого метода и разработка новой методики для случая образцов с шириной двойниковых доменов меньше длины волны свота А; в) наблюдение с помощью этой новой методики с целью ев апробации фазового перехода в монокристаллах из ромбической в тетрагональную фазу при нагреве.

2) а) исследование свойств сопутствующих несверхпроводящих фаз [^Си^С^ к Р^ВаСиО^ методом редкоземельного зонда с применением оптической фурьо-спектроскопии высокого разрешения; б) исследовать магнитного упорядочения и спин-переориентационных фазовых переходов в них при низких температурах; в) изучение низкоразмерного магнетизма в зтих соединениях; г) разработка и апробация на купра-тах П^Си^О^ и И^ВаСиО^ метода И-5"®" спектроскопического зонда для изучения магнитной структуры медной подсистемы.

Научная новизна и результаты, выносимые на защиту.

1) В диссертации предложен и апробирован новый поляризационно-оптический метод определения ромбической фаза в монокристаллах УВа2Сиэ07_х0 имэющий ряд преимуществ перед общепринятым методом и позволяющий наблюдать двойники с шириной < X. Для монокристаллов ромбической фазы в скрещенных поляроидах при ориентации осей поляроидов в направлении осей а,Ъ кристалла, наблюдается картина "контрастных фигур"» обусловленная поляризующим действием системы узких двойниковых доменов и меадвойниковых границ.

2) Впервые исследованы оптические спектры редкоземельных (РЗ) ионов в ряду соединений ¡^Си^О^ и ^ВаСиО^. По ним впервые зарегистрированы фазовые парохода; спан-тареориентация в ^ВаСиО^ с В = Ьи.УЬ.Ет» магнитное упорядочение в Мс^ВаСиО^. Показано» что особенности в температурных зависимостях теплоемкости и магнитной восприимчивости для ЕггВаСы05, УЬ2ВаСиО^ ошибочно рриписывалиа фазовым переходам, и объяснено их происхождение.

3) Показано» что вид спектра Ег3<" зонда в магнитоупорядоченно» состоянии й^Си^О^ зависит от магнитной структуры меда. На основ« этого разработан и апробирован-метод спектроскопического зонд; для идентификации и изучения магнитной структуры в ряду изострук-турных. соединений. Метод приыенЗц к серии соединений ^ВаСиО^.

4) Обнаружено, что в ряду куггратов Г^Си^ с одинаковой магнитной структурой меди в упорядоченном состоянии (ферромагнитные СиО плоскости, связанные антиферромэгнктно) расщепления спектральных линий Егэ+ зонда отличны от нуля выше одной и той же температура около 90 К (что много больше Т ). Показано, что эта температура соответствует установлению двумерных корреляций в СиО плоскостях»

5) При исследовании спектра Ег3+ зонда в двух существенно неэквивалентных позициях структуры ^ВаСиО^ удалось наблюдать поэтапное установление магнитшх корреляций при понижении температуры в соединениях с Н=Ег,Но,Бу,С(1: сначала в цепочках, затем трбхмерннх.

Практическая ценность. Предложенный в работе простой, экспрессный поляризационно-оптический метод определе1гая ромбической фазы в монокристаллах ВТСП может широко применяться на практике для контроля качества образцов с шириной двойниковых доменов меньше Ч.

Работа показала что спектральные данные можно эффективно использовать при выборе макду несколькими магнитными структурами равновероятными с точки зрения нейтронах данных.

Найденные в работе положения нижайших штарковских подуровней основных ионов Е?+ в й^Си^О^ и КрВаСиО^ когут быть использованы для расчбта магнитных, тепловых и других свойств этих "соединений,.

Полученный в работе опыт в исследовании низкоразмерного магнетизма НдС^О^ и ^ВаСиО^ может бить полезен при исследовании низкоразмерных свойств других магнетиков.

Апробация работы. Материалы диссертационной работа докладнва-лись на II Международной Ейгале по Возбужденным Состояниям Переходных Элементов (ЕЗТЕ, Польша„ 1991); на 8-ой международной конференции по фурье-спектроскопии (ПЗ, Германия, 1991); на конференции посвящбнной 25-летию ИСАИ с участием учёных из других стран (Троицк, 1993); на семинарах и конкурсных конференциях МСАН, Работы по теме диссертации были премированы на трбх конкурсах научных работ среди молодых учЗннх ИСАН.

Публикация. Основные'результаты диссертации опубликованы в девяти работах, список которых приведён в конце автореферата.

Структура и объбм работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Полный объбм диссертации 157 страниц, рисунков 54. Список литературы содержит 105 ниаменований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность теш дассертгсля» Зор-мулируютс-я цель и задачи исследования, Ерзззддася •рвгз'Л&тагз а гет-

ложения, выносимые на защиту,

В первой главе описываются экспериментальные метода и оборудование, использованные в работе, В параграфе I.I приводится схема поляризэциошю-онтического микроскопа, использованного при исследованиях монокристаллов ВТ СП УВа^ОцО,^,, В параграфе 1.2 описывается оборудование,- использоьашоо при спектральных исследованиях сопутствующих фаз й2Си205 и RgBaCuO^ методом спектроскопического PS зонда и излагается суть этого метода.

Спектры ионов (основных или введённых в количество 1% в качестве зонда) исследовались в области Г-1 переходов. Низкосиммет-рпчнои кристаллическое поле в этих купратах снимает bcö вырождение уровней кроме краморсова. Крамерсово вырождение снимается при магнитном упорядочении. Спектр» высокого разрешешш регистрировались на фурье-сиектрометре B0MEM-DA3.002 (Канада), Для получения слабых спектров диффузного пропускания порошковых образцов при. низких температурах применялась специальная методика: образцы наносились на поддонку и помещались непосредственно перед фотоприемником в оптическом гелиевом криостате с регулируемой температурой.

Вторая глава посвящена поляризационно-оптическим и электронно-микроскогшческим исследованиям монокристаллов ВТСП УВа^и^О,^.

В параграфах 2.1-2.3 на основе литературных данных описываются структура.кристалла УВа^и^О^^ в ромбической (в которой возникает высокотемпературная сверхпроводимость) и тетрагональной (несверхпроводящей) фазах» оптическая анизотропия кристалла в ромбической (Р) фазе, свойство монокристаллов YBa2Cu307_x двойниковаться в Р-фазе (т.е. делиться на домены с чередующейся ориентацией осей а, Ь)„ а такие преимущества и ограничения традиционного поляризацион-но-оптического метода определения Р-фазы в этих монокристаллах.

В параграфе 2.4, на примере исследованных в работе двойникован-ных монокристаллических образцов УВагСиэОу_х, показана типичные,, известные также из литературы, каршш, возникающие при наблюдении таких образцов в электронный микроскоп и в оптический микроскоп в скрещенных поляроидах.. Производится сопоставление этих картин.

П[;й наблюдении монокристаллов в оптический щцсроскап в скрещенных. поляроидах при ориентации осей поляроидов под 45° к кристаллическим осям a.b. наблюдается характерная картина "контрастных полос", соответствующих-отдельным или нескольким двойниковым доменам, обусловленная просветлением поля зрения из-за оптической анизотропии осей кристалла a.b. На наблюдении этой картины основан -¿¿¿zrjzcüisiA катод определения Р-фазы в ВТСП. Этот метод не рабо-

тает в случае, когда в образце Есе двойниковые домены уже Л.

В параграфе 2.5 предлагается новый метод определения Р-фззы, основанный на наблюдении картгаш "контрастных фигур"» возникающей при ориентации осей поляроидов вдоль осей кристалла а„Ь и обусловленной поляризующим свойством системы узких двойниковых доменов я междвойниковых грашщ. Этот метод работает также б том случае, когда ширина всех двойниковых доменов в образце меньше

В параграф 2.6 показывается, что наличие "картшш контрастных, фигур" подтверждает существующую гипотезу о сложном строении междвойниковых границ» имеющих структуру, близкую к тетрагональной.

В параграфе 2.7 предлагается способ повышения эффективности нового метода в случае» когда контраст "'фигур" проявляется слабо,

В параграфе 2.8 предложенный новый метод апробируется на регистрации с помощью него известного ранее структурного перехода в монокристаллах YBa2COj07_x из Р-фазы в Т-фазу при нагреве,. Показано, что отот переход, происходящий, по нашим данным» прк Тп=565°Сс сопровождается исчезновением картшш "контрастных фигура Картина "контрастных полос" исчезает при температуре около 630°С з результате эффекта термостимулированного вторичного двойш>.-ования< Температура Т перехода» получешая нами» находится в хорошем согласии с данными, .полученными другими» более слокшши методами.

Третья глава посвящена спектральным исследованиям, "синих фаз" RgCUgCt (R = Y»Tb-Lu)» сопутствующих ВТСП типа 123. Синие фазы хорошо изучены другими метода:га и в данной работе использовались также для разработки и апробации наших спектральных методик*

В параграфе 3.1 даЭтся литературный обзор по структуре, магнитным и тепловым свойствам F^Ct^O^ . В структуре этих купратов мокно выделить медь-кислородные плоскости Cu-0-Cu ab. Расстояния между ионами меди в плоскостях в два раза меньше» чем расстояния между плоскостями. В структуре имеются две неэквивалентные четырёхкратные позиции для редкой земли - R(l) и В(2)» которые расположены между плоскостями, причб'м так» что каждый ион R-3* находится блнзш к одной из плоскостей. Исследования теплоёмкости и магнитной восприимчивости обнаружили спонтанные магнитные и метамагшшше фазовые перехода в RgCi^O^ при низких температурах. Для всех синих фаз провожались нейтронографические исследования магнитной структуры.

В параграфе 3.2 описывается синтез исследованных в р&батв образцов.

В параграфе 3.3 приводятся результаты спектральных БрСгиОс, полученные в данной работе. Для ртзсзЗогнат жтг-гз -гг"-?-

троскогшческого зонда были получены спектры одного и того же зон-дового иона Ет3т для перехода - 411Э/2 во всех синих фазах.

По температурным зависимостям расщеплений (для краморсовскнх ионов), сдвигов и полуширин спектральных линий основных и зондовых ионов во всех синих фазах зарегистрированы перехода з магнитоупо-рядоченное состояние при температурах от 14К (для У^и^О,-) до 28 К (для Ег2Си^05)„ соответствующие одновременному упорядочению медной и РЗ подсистем. Для УЬгСирОЦ5 в котором имеются два фазовых переходе (при 15 К и 6,8 К), установлена природа низкотемпературного перехода. В области 7-6 К линии основного иона УЬ3+ и зондового иона Ег^ резко сужаются, что, видимо, связано с упорядочением РЗ подсистемы. При этом в узком интервале температур (^ 0,5 К) выше и ниже перехода спектр представляет собой суперпозицию двух субспектров с уменьшающейся к, соответственно, увеличивающейся шпенсив-ностями. Такую картину мл сопоставляем с сосуществованием доменов двух фаз в окрестности сшш-переориентаидонного перехода (СИЛ) первого рода. Разные виды субспвктров, очевидно, связаны с разными величинами расщеплений крамерсовских дублетов ионов УЬЭ+ и Ег3+ вследствие разной ориентации магнитных моментов меда в фазах, реализующихся при температурах выше и, соответственно, ниже СИЛ. Таким образом, из спектральных данных видно, что при 15 К упорядочивается модная подсистема, вызывая поляризацию иттербиевой подсистемы. При 6,8 К анизотропные УЬ-УЪ взаимодействия приводят к упорядочению РЗ подсистемы в некотором другом направлении, сопровождающемуся спин-перворинтацией в медной подсистеме.

С помощью температурных серий спектров в парамагнитной фазе были определены положения нижайших штарковских подуровней основных мультиплетов И3'1". Идентификация компонент спектральных линий основных и зондовых ионов в магнитоупорядоченном состоянии купратов также проводилась на основе спектров при разных температурах.

Параграф 3.4 посвящбн обсуждению результатов исследования купратов Л^СидО^. При изучении спектров Ет3* зонда во всех этих куп-ратах оказалось, что расщепления уровней Ег3+ близки в ^Сг^О^ для Я = \,ТЬ,Ег,Ьи, а также в изученном нами соединений ЕгУСг^О^. Эти купраты имеют разные'ионы и Ьи3+ - немагнитные ионы, ТЬ3*'

и Ег3+ имеют больше магнитные моменты, упорядочивающиеся, согласно данным по нейтронной дифракции, по-разному) но одинаковую маг-ютнус структуру меди (форромагнитно упорядоченные медные плоскости &Ь с ^фД Ь, связанные анткферромагнитно). В Тгг^Са^О^, где маг-ш:гн2й структура кеда аналогичная, но ¡1Си | а, расщепление основ-

ного дублета Ег3'" на порядок меньше, чем в предыдущем случав. Для ¥Ь2Си,05 и Но^ЦдО^ в литературе имеются противоречивые данные, а для Ву^и^ данные отсутствуют. Спектр и расщепления дублетов Ег3+ зонда в У^Си^ близки к таковым для Тп^Си^. На основе этого мы считаем, что из предлагаемых структур для УЬдСЫдО^ правильной является структура с рСи || а. В Но^Сн^ и Ву2Са,Ос Ер'у имеет спектр третьего типа, отличающийся от спектра как типа

Ег2Си2°5 (ГД9 ^Си" Ь)о так 11 ТИПа ТгаоСи2°§ Р"ои1 счита-

ем, что как в Ио^Сп^О^, так и в Бу^и^О^ рСи Ц с (для Но^Си^ такой вариант предлагался в одной из нейтронографических работ).

В спектре Ет-3* зонда в Г^Си^ с Н = Yb.Ho.Dy в мапштоупорядо-ченнсм состоянии число компонент линий в два раза больше, чем для случая одной позиции для Щ1) и й(2). Это связано с удвоением этих позиций вследствие мапттного упорядочения меди.

На основе наших результатов мы делаем следующие выводы: растепления уровней зондового нона Ег34" и, как следствие, вид его спектра в магнитоупорядочетюм состоянии Я2Си2°5 определяются сильно анизотропными взаимодействиями Ег-Си0 а взаимодействия £г-К слабы.

Расщепления уровней крамерсовского иона И-'*' определяются, в основном, взаимодействиями с ближайшими к нему ионами мэди, то есть отражают ближний порядок в системе и зависят от функций корреляции Г (Т) низкого порядка г. Так как блимтий порядок сохраняется при Т > Т0а функции Г„(Т) с г Ф ¡я и, следовательно, расщепления линий не обращаются в нуль при Т > Г , шея при Т = Тс точку перегиба. Величина Г„(Т = Т„) пропоициональна магнитной энергии0 остающейся в

X С

системе при Т = Т , и она тем больше,'чем ниже размерность системы. Каши спектральные исследования показали, что температуры переходов в магнитоупорядоченное состояние надёжно определяются по точке перегиба в зависимости расщепления спектральных линий Дг>(Т).

На рисунке I показаны зависимости М»(Т) для спектральных линий Ет3+ зонда в пяти купратах {^Си^О^, имеющих одинаковую магнитную структуру, описанную выше» Видно, что в то время как точки перегиба в зависимостях (соответствующие Т ) для разных купратсв лежат при разных температурах (от 14К для У^С^О^ до 28 К для Ег2Са,0^), хвосты зависимостей при Т > Т , обусловленные ближним порядком, тянутся до одинаковой температуры 90К для всех пяти хупратсз. Зсэд Ег3+ в структуре ^Си^ чувствует преимущественно магнитное корреляции в медных плоскостях аЬ. По-видимому, именно щи 20 3 к гаже становятся заметны двумерные корреляции в э-тга питаксстяж» торке не зависят от И. .ВзаимодбСствз? га маг^У шкасимяш, зсатс-

ст1

10

8

1

2 -

о

I-

£3 С С

& © ,ч

"" «Гд г

V- а %

^ в е о

V в

а к

\

С '

с

° Ег2Си20с-О ЕгУГиД

в 1и2Си2°5 е. ^С^О^

а У2Си2°5

к

о

20

/ ^

60

во

и:

Рисунок I. Температурные зависимости расщепления спектральной линии Ег3"1" зонда в области перехода —1* 4113/2 в г^сидс^ (П - Ег, Ьи, ТЬ, У) и ЕгУСи^ .

рое приводит к установлению дальнего трехмерного порядка, сильно зависит от И, что и приводит к различию в Т . Из наших спектральных данных следует, что наименьшее взаимодействие между плоскостями и, следовательно,, наименьшая эффективная размерность, наблюдается для У2Си205. При этом длина хвоста в Лг»(Т) относительно То (рис. 1) для этого купрата наибольшая. Самая высокая эффективна»: размерность имеет место для В^Сс^О^. Таким образом, из спектральных данных видно, что магнетизм в купратах П^Си^О^ квазндвумерньй.

также показали, что эффективная размерность магнетизма ¡^Си^ зависит от ионного радиуса и магнитного момента

Четвертая глава посвящона спектральным исследованиям "зелены;: фаз" 112ВаСнОц (К=У,5:п-Сс1,0у-1и), сбпутствущих ВТСП. Зелёные фазы изучены не так хорошо как синие фазы и в их свойствах имеется много неясиого. Ми применили к изучению ¡^ВаСиО^ спектральный метод, разработанный и апробированный нами на синих фазах Р^Си^.

В параграфе 4.1 дан литературный обзор по структуре, магнитны«: и тепловым свойствам ^ВаСиО^. В структуре зелЭаых фаз ионы меда: не имеют связей друг с другом чорзз один кислород, есть только сь.'Гзи Си-О-О-Сч. Для И ккоются две существенно нозквивалентшо по-глига РИ }, Р(2). Зависимости теплоемкости от температуры с(Т) бы-изучали до ьсох зэлёшх фаз. Для всех из них (кроме У„ВаСиОе к

к

И

Ьи2ВаСи05) наблюдались пики, приписываемые упорядочению корм, Кля купратов с И = Зт.Бу,Но,Ег,УЪ наблюдались также особенности в о(Т) при более низких температурах, приписываемо упорядочению РЗ подсистемы. Магнитные свойства изучались, в основном, для У2ЗаСи05. В зависимости магнитной восприимчивости х(™> для этого ооелиненчл наблюдался широкий максимум около 30 К. Острие максимумы в %(Т) наблюдались для Н = Ег,1)у,!1о,Сй при более низких температурах (6-II К). По магнитной структуре У£ВаСи05 дягеше противоречивые. Для большинства остальных золйяых фаз эти данные либо ненадёжные, либо отсутствуют.

В параграф 4.2 приводятся сведения о синтезе образцов, исполь-зовашшх в работе и результаты наших спектральных иследованкй. В параграф 4.3 проводятся обсуждение наших результатов.

По температурным зависимостям расщеплений (для крамерсовских ионов), сдвигов и полуширин спектральных линий основных и зондовых ионов во всех золОных фазах зарегистрированы перехода з магнитоу-норядоченное состояние яри температурах от 11,8 К. (для Оо^ВаСиО^) до 23,5К (для а^ВаСиОс), соотве?ствуюа£Ио упорядочению модной подсистемы . На рисунке 2 показаны температурные зависимости спектра Ег3+ зонда в УЬ?ВаСи06, а также расщепления линии около 6532 ст-1 и полуширинн её компонент. Сиекгральнуо линии Ег3+ зонда для каждой из позиций ПС1 ),Н(2) в зелбных фаза;' при магнитном упорядочении расщепляются, как правило, на две кс-лгонеиты (та 2а).

Спектральный метод позволил нам зарегистрировать спгат-переори-ентационные переходы в У2ВаСи05 = 12 К), Ьи^ВаСаО^ (Тн= 15 К)„ УЬ2ВаСи05 (Тк = 4 К), Ег2ВаСиО& (Ту{ = 12 К), ш наблюдавшиеся другими методам. Мз рисунка 2Ь видно, ■ что спектр Ег34 зонда в УЬ2ВаСиОг при 4,2 К представляет собой суперпозицию спектров, соответствующих двум фазам с различными магнитными структурами, реализующимися при температурах выше и, соответственно, кила аналогично случаю СПП в П>2Са^. Фазы с разными структурами здесь сосуществуют в интервале температур I К. Особенность СПЯ в У?ВаСиОГ} к 1и2ВаСиСц состоит в том, что, фазы с разной магнитной структурой в них сосуществуют в широком интерзале температур, и высокотемпературная фаза сохраняется ниже 2К.

Ш полагаем, что факт сосуществования фаз в широком темпоратур-но!А,янтервалй объясняется тем, что медь-ккслородшо комплексы в НдВаСиО^ изолирован" друг от друга, а соединяющие их разные пути, ]тр!шодящке к установлению разных магнитных структур, конкурируют вследствие олизостк м&тштшх энергий этих структур. Отсутствия

'I.

I,

0,5

-о—о1"—о-

о V

л

V

5 10 1Б У^ВаСиО^ЕМХ '

(Ы ]> О

ДМ '

04

•{ -1 ст1

1

05

6530 6536 ст1

Рисунок 2. Температурою зависимостг. а) спектра Ег3+ зокда в УЬ2ВаСи05, Ь) рзокепления ¿V линш 6532 см"1 ЕГ3+ на рисунке а (кру.та), полуикрины От её правой компоненты (ромГщ), интегральных

улг-чсл-нг-гтей Ц к 1Т1 двух субсгтектрзв (крестики и точки).

заметных особенностей в с(Т) и %(Т) при Ттг по-видимому также объясняется близостью величин магнитных моментов меди н магнитных энергий в фазах, доминирующих при температурах выше и, соответственно, ниже Тн. Особенности в с(Т) для Ег2ВаСиС>5 (при 5 К) и УЪ2ВаСиО^ (при Т < 2 К), как следует из наших данных, объясняются температурным изменением заселйшгостей уровней основных дублетов Ег-5+ и УР^' и являются аномалиями типа Шоттки, а не связаны с фазовыми переходами. Этим же объясняется максимум в %(Т) при в К для Ег2ВаСиО^. Наличие максимума в %(Т) при температурах около 30 К для У2ВаСиОк и 1,иоВаСи0с (что намного выше 'температур- магнитного упорядочения Т^, полученных нами по спектрам Ег3' зонда - 16,5 К и, соответственно, 19 К), типично для низкоразмерных систем и, видимо, объясняется наличием в этих кулратах цепочек Си-0-0-Си.

При наблюдении температурной трансформации линий Ер1" зонда 6532 и 6540 сш_|, относящихся к разным структурным позициям Н(1) и Н(2), мы обнаружили, что для Р^ВаСиО, с К = Ег»НО,'0у,а.1 при охлаждении линия 6540 спГ1 начинает заметно расщепляться уже при более высоких температурах, чем линия 6532 сггГ1. Ми считаем, что это связано с наличием в зелЗных фазах Си-О-О-Си цепочек || Ь, в которых магнитные корреляции устанавливаются при более высоких температурах, чем корреляции между этими цепочками. Дело в том, что позиция Щ1) находится блике всего к одно? такой цепочке к чувствует одномертше корреляции в ней. Позиция Н(2; расположена'ке::<ду тремя такими цепочкаш и чувствует установление мекдуцепочечннх, то есть трбхмерннх корреляций.

Метод спектроскопического зонда позволил нам сделать некоторые выводы о магнитной структуре меди в мэлштоупорядочепном состоянии зелЭных фаз. На рисунке 3 показаны лиши Ег3+ зонда 6532 и 5540 сггГ1 во всех зелёных фазах при одной или двух температурах шгс;е Тм. Для Ег2ВаСи05, Но2ВаСиС>5 и Сс^ВаСиО^ при низких температурах линии расщеплены на четыре компоненты, не описываемые в рамках схемы одной позиции для Н(1) и И(2), что свидетельствует об удвоении магнитных позиций ионов, индуцируемом в магнитной структуре. На основе сходства вида спектров, которое есть следствие одинаковости расщеплений дублетов Ег3+ при одинаковых магнитных структурах, мы делаем вывод, что магнитная структура меди одинакова I) для<,У2ВаСиОГ( и Ьи2ВаСи0.5; 2). для У2ВаСи05 и Ьи^ВаСиС^ в области температур Тд < т^' Т,г и Е^ВаСиС^; 3) для УрВаСи05 и. Ь^ВаСиО.^ при Т < !ГК, 1Ъ2ВаСи05' (Тн < Т < Тк), Тп^ВаСиО^ 4) для Но2ВаСи05 (Т < ТК2) и Е1-2ВаСи05 (Т < Тн); 5) для Ву2ВаСй05 и Ег2ЗаСи05 в об-

Рисунок 3. Поглощение зондом Ег-34' в гуЗаСиО^ в области парохода '1115/2 * 41,з/2 при Т < Т,{ для И = Eu.Tm.Sm; при Т'к < Т < Ты и^Т < тк для Н = У, т/Ти, Оу; грк 1\}р_ < Т < и Т < ТМ2 для II = Ко; при Т -< Ти и Т « Тк для'К - Ег.С-й.

ласти температур Т^ «г Г < Ты, Ко^ВаСаО^ (Тк2 < Т <■ -ТК1). Для И =--Ву, УЪ (при Т < Тп) я Я = Згп, С(1 структура не имеет аналогов в других купратах. В случае К = Ег.Но.Ву наши предетолоштая согласуются с данными по нейтронному рассеянию.

В пятой главе, после описания кристаллической структуры "коричневой фазы" Кй^ВаСиО^, приводятся результаты кяьих спектральных исследований этого соединения. Как и в случае зелёных фаз, в Кс^ВаСиО^ медь-кислородные комплексы изолировать друг от друга. Для Р. в структуре имеется одна четырёхкратная позиция.

Не изученный ранее купрат Кс^ВаСиО^ исследовался нами по спектрам основного кона К<1-'*+* и зонда По расщеплениям лкаий -зла ионов мы впервые обнаружили магнитное упорядочение в этом соедпке-нии при Т0= 7,5 К. Как мы полагаем на основе спектральных данных, при этой температуре происходит упорядочение как медке.;1:, так я РЗ подсистем. Позже, измерения теплоёмкости подтвердили наличие фазо-еого перехода при этой температуре. При температурах шко Т0 в зависимости расщепления спектральных лший 4у(Т) наблюдается очень длинный хвост, тянущийся до 101^ (рис. 4). Как мы считаем, это свидетельствует о низкой эффективной размерности магнитных взаимодействий в Ш2ВаСиО^ из-за наличия в структуре цепочек Ои-О-Ш-О-Ои. Одномерные корреляции в \'й?БаСиО^ при Т > Т. такке были под-творвдены позке нейтронными исследованиями.

В заключении подводится итог всей работы и приводите: основные результаты и выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТУ И ВЫВОДУ

В работе оптическими методам; исследованы ВТСП 1ТЗа2Си^Оу_ , и сопутствующие ВТСП НВа2С1и07_х фя)зи: "синие" ГиСц^О^, "зелбные" Р^ВаСиО^ и "коричневая" Кс^ВаСиОд. Основные результаты работы:

I) Предложен новый поляризационно-оптический метод определения ромбической фазы в монокристаллах УВа2Си^07_х, основанный на эффекте двойниковашя и на поляризующем действии системы двойниковых доменов и их границ. Новый метод, в отличие от общепринятого, работает, и в случае, когда в образце все двейники узкие (<л). Метод

6У ДУ ст'

14

чл

¡и

б

2

Рисунок 4. Температурные завкетлмостк расщепления Ду спектральной линии Мс1-+ в области перехода 4115/2 в Кс^ЕаСпО^ (треугольники) и полуширины Зу еб компонент (крестики).

апробирован на наблюдении с помощью него структурного перехода в УВа2Си.,07_х из ромбической фазы в тетрагональную при нагреве. Показано, что при вагрэве монокристаллов ЯЗа2Си^07_х в ромбической фазе, структурный переход из ромбической фазы в тетрагональную, происходящий, по нашим данным» при Тп = 665°С, сопровождается исчезновением картины "контрастных фигур" (картина "контрастных полос", наблюдаемая при ориентации осей поляроидов под 45° к кристаллическим осям и обусловленная оптической анизотропией осей а,Ъ, исчезает при температуре около 630°С б результате эффекта термо-стдаулкрованного вторичного двойникования).

2) Исследованы оптические спектры в области 1-Г переходов в основных РЗ ионах и зондовом ноне "Ег34 в соединениях Л^Си^О^ и ?.,В»."-аОс. Показано, что температура магнитного упорядочения Т, мо-

х * * х *

М,

-

¡1

х Й

X

X

А

А

№,ВаСиОе

Л »

^ а

¡0 ВО 50 70 Т. К

X

жет быть надС::сно определена но точке перегиба з зависимости рэс-щеплений спектральных линий от температуры Ду(Т;. Впервые зарегистрированы фазовые перехода: магнитное упорядочение в Кй,,ВаСи05; спин-переориентация в Р^ВаСиО^ с Н = Ьи.УЪ.Ег. Объяснено происхождение особенностей в температурных зависимостях теплоемкости и магнитной восприимчивости для Ег2ВаСы205 и УЦБаСиО^, ошибочно приписываемых фазовым переходам. Показано, что эта особенности обусловлены уменьшением населенности верхней компоненты расщоплЗн-ного нижайшего крамэрсова дублета основного иона В?* .

3) Показано, что расщепления крамерсовых дублетов Фондового иона Ег3+, а следовательно, к вид спектра, определяются, з основном, взаимодействиями Я-Си и зависят от магнитной структур« меди. На основе этого разработан и апробирован на примере серии синих фаз гС^Си^О^ метод Н5+ спектроскопического зонда для идентификации и изучения магнитной структуры меди в ряду изоструктурных соединений. Метод применен к серии соединений Н2ВаСи.О^.

4) По удвоению числа кемгонеят в расщеплённых спектральных линиях Ег3+ зонда з В2Са,0,- и ТЦВаСиСЦ наблюдалось удвоение спектроскопических позиций ионов при магнитном упорядочении в системе.

Б) Обнаружены спектральные проявления низкой эффективной размерности магнитных взаимодействий:

а) В серии купрятов Н2С1Ь,05 с одинаковой магнитной структурой меди в упорядоченном состоянии, но с различными температурами Т, расщепления спектральных линий Ег' зонда отличны от нуля выше одной и той же температуры 90 К {» Г ), что соответствует установлению двумерных корреляций в СиО плоскостях.

б) Различное температурное поведение расщеплений линий Ег3+ зонда, соответствующих двум неэквивалентным позициям г структуре зелйных Фаз Р2ЗаСи05 с Н=й\Но,Ву,С<1, свидетельствует о поэташюм установлении магнитных корреляций в этих соединениях: сначала одномерных - в цепочках, затем трйхмерных - между цепочками.

в) Длинный хвост в температурной зависимости расщепления линий Кй3*" в Ш2ВаСи05, тянущийся до * 10То, свидетельствует с низкой эффективной размерности магнетизма в этом купратр вследствие наличия одномерных корреляций в цепочках Си-О-Ш-О-Си, подтверк-дЗнного впоследствии цейтронографическими исследованиями.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1, И.В.Пауков, У.К.Попова, Е.В, Татьянш. Новый поляризацжжно-опткческй: кет од определения ромбической и тетрагональной фаз в монокристалл32 YBagCa,^ . СФХТ, 1391, т. 4, & 3, стр. 575-580..

2. G.G.Chepu'riio, I.V'.Paukov, li.K.Popova, Ja.Zoubkova. Spectral studies oî magnetic eupratss ïtCiuO^ (R - Tb, Er, Tte, lu. У). Soila State Со.таып., 199!, v.79, К 7, p.569-572.

3« K.N.Popova, T.V.Paukov. Spectral studies of magnetic cuprates RgCu20ç (R = Yd, Йс, By). PiWS.LeU.A, 1991, v.159, p.187-192. 4c I.V^Paukov, ".¡.N.Popova, P.V.Mill. Magnetic Phase Transition and Short Range Order in ш,ВаСиОс. Pnys.bett.A, 1991, v. 157, No 4-5, pp. 306-308.

5. G.G.Chepur'Ko, l.V.Pankov, M.N.Popova. FTS Study of Magnetic Transitions in cuprates RpCu^O^ and RgBaCuC^. Proceedings of the 8-th International Conference on Fourier Transform Spectroscopy, Sept. 1991, Germany. SPIE, 1991, 7. 1575, p.564-565.

6. M.N.Popova, I.V.Faiuov. Spectroscopy of Magnetic Cuprates RgBaCviO^. Proceedings or the 2-nl International School on Excited States of Transition Elements (Wroclaw, Sept. 1991), World Scientific, 1992, pp. 211-220.

7. I.V.PaukOY, M.N.Popova, B.V.Kill. Spectral Studies of Magnetic Ordering m the Cuprates R^BsCuO^ (R = Srs, Eu, Tm, Yb, Lu). Phye.Lett.A, 1992, v. '69,"lio 4, pp.301-307.

8. M.H.IIonoEa, И.В,Пауков. Спектроскопические исследования мапшт-ного упорядочения в купратах R^Cu^. оптика и спектроскопия, 1994, т. ''6, if 2, стр. 285-302.

9. I.V.'faukov, K.N.Popova, j.Xlamt. Low Dimensional Magnetism in RgCu^Oç compounds. Phys.Lett.à, (1994) in press.