Ориентационные фазовые переходы в низкоразмерных магнетиках с конкурирующей магнитной анизотропией тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

\ (. /// ^ ^ у п

^ V./ , / '?

^ ' У

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Рыженко Аркадий Борисович

ОРИЕНТАЦИОННЫЕ ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В НИЗКОРАЗМЕРНЫХ МАГНЕТИКАХ С КОНКУРИРУЮЩЕЙ МАГНИТНОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ

Специальность О"? г Физика твердого тела

Диссертация на С01 ученой степени кан» физико-математе

Научный руководитель -профессор, доктор физико-математических наук Синицын Е.В.

Екатеринбург - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

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

Глава 1. СПИН - ПЕРЕОРИЕНТАЦИОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ В МАГНЕТИ -

КАХ С КОНКУРИРУЮЩЕЙ МАГНИТНОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ.......23

1.1 Общие представления о процессах спин-переориентации в сис -темах с конкурирующей анизотропией. Исследование неупоря -доменных магнетиков методами микромагнетизма. Модель эф -фективной среды. Ориентационные фазовые переходы в дву -мерных и одномерных магнетиках с конкурирующей анизотропией........................................................................................................23

1.2 Спин-переориентация в конечных одномерных магнитных мате-

риалах с конкурирующей анизотропией...........................................49

1.3 В ы в о д ы...............................................................................................58

Глава 2. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СПИН -

ПЕРЕОРИЕНТАЦИИ В СИСТЕМАХ С КОНКУРИРУЮЩЕЙ АНИЗОТРОПИЕЙ МЕТОДАМИ МОНТЕ - КАРЛО.........................60

2.1 Исследование ориентационных фазовых переходов в одномерной

системе классических спинов с конкурирующей анизотропией методами Монте-Карло......................................................................60

2.2 Прямое моделирование процессов релаксации спинов в лока -

льные положения равновесия. Сопоставление данных, полу -ченных с помощью численного моделирования поведения системы с результатами аналитического прогнозирования..........75

2.3 В ы воды............................................................................................82

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННО - ЯДЕРНОГО МАГ -НИТНОГО РЕЗОНАНСА В МАГНИТНЫХ СИСТЕМАХ С КОНКУРИРУЮЩЕЙ АНИЗОТРОПИЕЙ И СОПОС -ТАВЛЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ С АНАЛИТИ -ЧЕСКИМИ ДАННЫМИ......................................................................83

3.1 Связанные колебания электронных и ядерных спинов в ферро -

магнетиках с конкурирующей магнитной анизотропией.................84

3.2 Ядерные спиновые волны в антиферромагнетиках с конкурирую -

щей магнитной анизотропией...........................................................95

3.3 Некоторые особенности спектров ядерного магнитного резонанса

в неупорядоченных твердых растворах на основе редкоземельных ортоферритов КРе{_хСохОъ...............................................................102

3.4 В ы в о ды............................................................................................113

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................115

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................118

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................................131

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Изучение процессов спин-переориентации в неупорядоченных магнетиках является одной из фундаментальных задач физики магнитных явлений, которая на протяжении уже многих лет продолжает привлекать к себе внимание как теоретиков, так и экспериментаторов. Ее важность и актуальность связаны прежде всего с тем, что в системах с конкурирующей магнитной анизотропией, особенно малой размерности, возникают весьма разнообразные магнитные структуры, которые обладают совершенно нетипичными для традиционных упорядоченных магнетиков физическими свойствами. С другой стороны исследование ориентационных фазовых переходов в материалах именно с конкурирующей анизотропией представляет интерес еще и потому, что системы с конкурирующим обменным взаимодействием достаточно хорошо изучены, тогда как о влиянии флуктуаций величины и знака констант магнитной анизотропии на магнитные свойства неупорядоченных систем известно значительно меньше, хотя такие флуктуации типичны для многих неупорядоченных соединений и реальных кристаллов. Поэтому исследования магнитной структуры и фазовых переходов в соединениях с нарушенной трансляционной симметрией в расположении составляющих их атомов достаточно давно выделились в самостоятельную область физики твердого тела, которую принято называть физикой неупорядоченных систем.

В последние годы было уделено большое внимание изучению магнитных переходов типа порядок - беспорядок. Исследование этих переходов имело большое значение не только для теории магнетизма [1 - 3], но и для теории фазовых переходов в твердых и жидких телах [4 - 5]. Менее изученными остаются многочисленные магнитные переходы типа порядок -

ными. Таким образом параметры этих взаимодействий - обмена и магнитной анизотропии - флуктуируют, и как следствие, в системе возникают своеобразные структуры, которые получили название стохастических магнитных структур. Подобные образования с пространственно неоднородными распределениями магнитных моментов обладают специфическими свойствами, которые резко отличаются от свойств классических типов упорядочения, типичных для материалов с идеальной кристаллической решеткой. Одними из наиболее интересных соединений, входящих в класс неупорядоченных магнетиков, являются так называемые магнетики с конкурирующими взаимодействиями. В них имеют место противоборствующие стремления к установлению таких типов упорядочения, которые не могут сосуществовать вместе, то есть исключают друг друга. Примером таких систем с конкурирующими взаимодействиями могут служить магнетики со случайным знаком параметров обмена - в них конкурируют стремления к установлению ферро- и антиферромагнитных структур [9], а также магнетики со случайным знаком константы магнитной анизотропии - в них противоборствуют тенденции к магнитному упорядочению типа «легкая ось» и «легкая плоскость» [10, 11]. Отметим, что к настоящему времени магнетики с конкурирующими обменными взаимодействиями исследованы достаточно подробно и всесторонне [9, 12 - 42].

Интерес к магнитным системам с конкурирующей магнитной анизотропией постоянно проявляется по причине того, что подобные магнетики представляют собой наиболее удобный объект для изучения особенностей процессов, происходящих в неупорядоченных системах, поскольку образцы с конкурирующей анизотропией относительно нетрудно получить, а также, в силу их достаточной распространенности. В свою очередь, среди разнооб-

порядок, при которых происходит изменение типа магнитной структуры. Существует несколько видов подобных переходов и причины возникновения этих переходов различны [6].

Среди магнитных переходов типа порядок - порядок можно выделить особый класс переходов - магнитные ориентационные переходы или, как их часто называют, спин - переориентационные. Простейшим примером такого перехода является наблюдаемое в ряде ферромагнитных кристаллов изменение направления легкого намагничивания при изменении температуры. Эти явления рассматривались еще в работах [7 -8], однако только в последнее время, с середины 80-х годов, они стали обсуждаться с точки зрения теории спин - ориентационных переходов.

Магнитные ориентационные переходы обладают своеобразными свойствами, во многом отличающимися от свойств упомянутых выше магнитных переходов порядок - беспорядок и порядок - порядок. Они могут происходить как при изменении температуры, так называемые спонтанные переходы, так и вследствие приложения внешнего магнитного поля - индуцированные переходы. Подобные переходы распространены и наиболее ярко проявляются в редкоземельных магнетиках: ортоферритах, ферритах -гранатах, интерметаллидах редкая земля - железо или кобальт. Изучение их представляет научный и практический интерес как для дальнейших исследований в теории магнетизма и фазовых переходов, так и для использования в технике.

В реальных магнитных материалах присутствует нарушение пространственной симметрии кристаллической решетки, что ведет к тому, что возникает беспорядок в расположении ионов, а значит, ответственные за магнитное упорядочение основные взаимодействия являются неоднород-

разных явлений, которые наблюдаются в неупорядоченных магнитных системах, большой интерес вызывают спонтанные и индуцированные внешним магнитным полем спин - переориентационные переходы, по той причине, что именно в процессе спин - переориентации в неупорядоченных магнетиках становится возможным возникновение стохастических магнитных структур, совершенно нетипичных для упорядоченных магнитных материалов и приводящих к аномалиям их физических свойств [43].

В качестве конкретного образца магнетика с конкурирующими взаимодействиями можно привести соединения типа редкоземельных ортофер-ритов КРе^_хСохОъ [44], ¥^_хЬихСгОъ [45. 46] и т. д., в которых реализуется конкурирующая магнитная анизотропия, которая обусловлена различным знаком вкладов ионов Со2+ и в среднюю константу магнитной анизотропии, что может привести к возникновению упомянутых стохастических магнитных структур. Изменение температуры, следствием чего будет изменение параметров энергии магнитной анизотропии, приводит к спин - пере-ориентационным переходам из одной магнитной структуры в другую.

Нетрудно заметить, что если система находится в одном из двух состояний, исключающих друг друга ее полная энергия не является минимальной, следовательно, в магнетике должно установиться какое-то неоднородное магнитное упорядочение, которое будет соответствовать минимуму энергии для системы в целом. При этом нужно подчеркнуть, что не везде ориентации спинов на узлах кристаллической решетки будут отвечать минимумам локальной энергии конкурирующих взаимодействий [47].

Вопрос о том, какая же все-таки магнитная структура образуется в подобных материалах - это вопрос об оптимальной стратегии поведения большого количества спинов, то есть сложной системы с большим числом

переменных при сосуществовании в ней конкурирующих взаимодействий, взаимно исключающих друг друга. Эта проблема, в принципе, не что иное, как одна из задач оптимизации, а потому методы, разработанные для исследования поведения неупорядоченных магнетиков с конкурирующими взаимодействиями могут применяться для решения задач в областях науки, которые на первый взгляд не имеют ничего общего с физикой магнитных явлений. Это, например, теория оптимального управления [48], моделирование процессов работы мозга [49], решение задач распознавания образов и т.д. [50, 51].

Одним из примеров вышеупомянутых систем могут служить многослойные пленки, так называемые мультислои, исследования свойств которых получили большое развитие в последние годы в связи с появлением реальной возможности создания образцов, у которых при переходе от слоя к слою происходит изменение либо параметров обмена, либо знака и величины константы магнитной анизотропии. Следует отметить, что хотя многослойные пленки с изменением параметров обмена по толщине изучены достаточно хорошо и являются наиболее часто встречающимися, однако и пленки с изменением знака и величины константы анизотропии не являются чем-то экзотическим. Такая ситуация может, в частности, встречаться в многослойных пленках редкоземельных и переходных металлов, в которых изменение константы анизотропии по толщине может достигаться, например, за счет варьирования концентрации редкоземельных ионов [52]. Следует еще раз подчеркнуть, что подобные объекты интересны для исследования как тем, что они отличаются большим разнообразием возникающих в них магнитных структур, так и совершенно нетипичными аномалиями физи-

ческих свойств, которые характерны для традиционных упорядоченных магнетиков.

С другой стороны нужно отметить, что многослойные пленки с изменением по толщине знака и величины константы магнитной анизотропии на сегодняшний день изучены недостаточно, так как остался невыясненным ряд вопросов, которые важны для понимания происходящих в таких системах процессов. В частности, проблема о том, какие же магнитные структуры могут возникнуть в неупорядоченных магнетиках с конкурирующей магнитной анизотропией при размерности пространства d = 1( многослойная пленка ) и d = 2 (слой ) оставалась открытой. Понятие размерности пространства нуждается в пояснении, а именно, это означает, что, например, при d = 1 существует лишь одно направление, в котором изменяется константа магнитной анизотропии - вдоль оси Ох, по другим же осям Оу и Oz: /3{x,y,z) = const. Для случая d=2 константа анизотропии fi(x,y,z) изменяется вдоль осей Ох и Oz, а по оси Оу: : P(x,y,z) = const, и т. д.

Перед тем как приступить к подробному исследованию низкоразмерных магнитных систем с конкурирующей анизотропией изложим кратко основные представления об особенностях магнитной структуры и свойств трехмерных систем, известных к настоящему времени, а также их значение для практического применения. Примером подобных систем могут служить многие соединения редкоземельных, 4f-3d металлов, а также соединения переходных и 4f-3d металлов. Магнитные материалы на их основе играют важную роль в современной физике. Так, например, интерметаллиды RCo5, R2Fel4B используются для создания постоянных магнитов с рекордными величинами энергетического произведения; редкоземельные ферриты-гранаты и ортоферриты применяются в качестве сред для записи инфор-

мации на цилиндрических магнитных доменах и в устройствах магнито-управляемой оптики. Соединения КРе2 и сплавы на их основе обладают уникальными магнитострикционными характеристиками. Наряду с этим, изучение физических свойств 4f - 3с1 соединений представляет и чисто научный интерес [43].

В неупорядоченных твердых растворах на основе редкоземельных металлов, содержащих различные ионы, конкурирующая магнитная анизотропия может иметь как одноионную, так и обменную природу. В частности, она наблюдалась в соединениях редкоземельных и переходных металлов Е>ухЕгх_хт5, ММ^и [53], Ег2(Сох_хРех)Х1 [54], 1)уРе0д5Са005О3 [90], 8т06Еи0ЛРеО3 [91], твердых растворах на основе редкоземельных ортофер-ритов и ортохромитов [45, 46, 55, 56], метамагнетиках типа Ре{_хСохС12 ■ 2Н20 [57] и многих других системах [58 - 60].

Наиболее просто конкурирующую магнитную анизотропию можно создать в соединениях редкоземельных металлов, где Я3+-ионы взаимозаменяемы, а относительное изменение типа анизотропии («легкая ось» или «легкая плоскость») по всему ряду редких земель может быть установлено по известным знакам параметра Стивенса [61], определяющим характер штарковского расщепления БЫ - мультиплета Я3+ - иона в кристаллическом поле.

Исторически первыми примерами магнетиков с конкурирующей анизотропией были сплавы редких земель типа Я1_ХЯХ [10, 11], в которых

знаки первой константы анизотропии для ионов Я1 и Я2 различались (например Бух_хЕгх и т.п.). Для исследования их свойств применялась модель молекулярного поля и приближение виртуального кристалла [62]. В

свете этих теоретических допущений молекулярные поля, которые действуют на ионы в кристаллической решетке сплава заменяются на средние значения по всем их возможным распределениям, причем действие кристаллического поля учитывалось приближенно с помощью введения анизотропии тензора парамагнитной восприимчивости. Даже такая простая модель сплава позволила изучить некоторые характерные особенности магнитных фазовых диаграмм подобных материалов, которые оказались резко отличны от известных ранее. На рис. 1 изображена фазовая диаграмма сплава Из нее видно, что в материале с конкурирующей

ориентацией легких осей компонент Я1, Я2 могут возникать три вида магнитного упорядочения. Два из них - это фазы с легкими осями, которые ортогональны друг другу, тогда как оставшаяся, третья фаза, называемая фазой смешанного упорядочения, соответствует состоянию со средним по отношению к фазам 1 и 2 направлением легкой оси. При этой ситуации пересечение линий фазовых переходов является тетракритической точкой. Отметим, что случай тетракритической точки не единственен, так как существует возможность того, что фазовая диаграмма принимает вид как на рис. 1а и тогда точка пересечения линий фазовых переходов - бикритиче-ская, причем граница между фазами с взаимоортогональными направлениями легких осей представляет собой фазовый переход первого рода [10, 11]. Для систем с конкурирующей магнитной анизотропией характерна именно фазовая диаграмма, которая показана на рис. 16. В работах [63 -- 65] тоже отмечалась возможность появления магнитной структуры у которой ориентация магнитных моментов будет средней по отношению к направлению легких осей конкурирующих взаимодействий. Эта структура получила название «угловой» фазы. Однако такая простая модель системы

Рис. В. 1. Фазовые диаграммы сплавов с конкурирующей анизотропией ТИПа '. а,б - диаграммы с бикритической и тетракритической точками пересечения линий

фазовых переходов �