Особенности электронной структуры и магнитные свойства слабых зонных гелимагнетиков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

1. СЛАБЫЙ ЗОННЫЙ МАГНЕТИЗМ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ И ИХ

СОЕДИНЕНИЙ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР).

1.1. Некоторые экспериментальные данные о магнитных свойствах слабых зонных магнетиков. &

1.2. Слабый зонный гелимагнетизм соединений переходных металлов. -/

Г.З. Теория фяуктуаций локальной спиновой плотности

ФЛСП) в зонных магнетиках. <fg

1.4. Постановка задачи исследования. 2.

2. ФЕМ-ЖИДКОСТНАЯ ТЕОРИЯ ОСНОВНОЮ СОСТОЯНИЯ СЛАБОГО

ЗОННОГО ГЕЛИМАГНЕТИКА. 2.

2.1. Корреляционная функция и энергетический спектр одночастичных возбуждений основного состояния ферми-жидкости с неоднородным обменным и релятивистским антисимметричным взаимодействиями

2.2. Энергетический спектр и собственные функции одночастичных возбуждений гелимагнитноупорядо-ченной ферми-жидкости

2.3. Намагниченность и волновой вектор структуры гелимагнитно упорядоченной ферми-жидкости

2.4. Выводы

3. ФЛУКТУАЦИИ ЛОКАЛЬНОЙ СПИНОВОЙ ПЛОТНОСТИ И СЛАБЫЙ

ЗОННЫЙ ГЕЛИМАГНЕТИЗМ СОЕДИНЕНИЙ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

3.1. Функционал свободной энергии в модели Хаббарда

3.2. Расчет термодинамического потенциала слабого зонного гелимагнетика (С31М) в приближении низкоэнергетических ФЛСП.

3.3. Намагниченность, температура Нееля и волновой вектор С31М.

3.4. Влияние однородного внешнего магнитного поля на гелимагнитную структуру. Индуцированная ферромагнитная фаза

3.5. Выводы у 4. ШРМАГНИШЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ СЛАБОГО ЗОННОГО

ГЕЛИМАГНЕТИКА.

4.1. Влияние особенностей плотности электронных состояний на температурную зависимость однородной парамагнитной восприимчивости слабых зонных магнетиков (СЗМ) .'.

4;2. Особенности плотности электронных состояний и неоднородная парамагнитная восприимчивость СЗМ

4.3. Локальные магнитные моменты и парамагнитная восприимчивость

4.4. Выводы.Н

ЗАКЛКИЕНИЕ.Ш

Актуальность теш. Переходные металлы и их соединения находят широкое применение в технике и обладают сложными электронными и магнитными свойствами. Накопленный к настоящему времени экспериментальный материал свидетельствует о том, что дою более глубокой их интерпретации необходимо, прежде всего, дальнейшее изучение эффектов электронной корреляции и особенностей зонной структуры Ы -металлов.

В связи с этим в последние годы значительное развитие получила теория флуктуации спиновой плотности, которая часто используется при анализе свойств зонных магнетиков на основе переходных металлов. Поскольку в последних магнитоактивные электроны являются коллективизированными, постольку щи объяснении специфики этих магнетиков важное значение имеет и фактор электронной структуры. Однако в рамках теории фдуктуаций локальной спиновой плотности (ФЛСП) роль электронной структуры и различных типов межэлектронных взаимодействий изучена слабо. В частности, до настоящего времени отсутствует последовательная теория гелимагнитного упорядочения зонных систем (например, Мп^Со^с , ) и их противоречивых, с точки зрения существующих теорий, свойств.

Известно, какое значение в возникновении гелимагнетизма играет релятивистское антисимметричное взаимодействие. Однако к настоящему времени хорошо изучено его влияние лишь на упорядочение в системе локальных магнитных моментов. В этой связи актуальной является разработка последовательной теории гелимагнитного упорядочения зонных магнетиков (ЗМ), учитывающей релятивистское антисимметричное взаимодействие.

Не менее важным является и вопрос о взаимосвязи аномалий плотности электронных состояний зонных магнетиков и особенностей температурной зависимости, присущих им, магнитных характеристик, Поэтому для корректного описания их магнитных свойств необходимо обобщение теории ФЛСП с учетом аномалий плотности состояний.

Цель работы - развитие теории гелимагнитного упорядочения зонных магнетиков. В задачу исследования входит описание основного состояния зонных гелимагнетиков (ЗШ) на основе теории ферт-жидкости Ландау, учет флуктуаций локальной спиновой плотности при вычислении их намагниченности в области конечных температур, а также исследование влияния ФЛСП и аномалий плотности состояний на парамагнитную восприимчивость.

Научная новизна. I. В работе впервые исследовано значение релятивистского антисимметричного (РА) взаимодействия для гелимагнитного упорядочения ферми-жидкости (основное состояние), определен волновой вектор гелимагнитной структуры и найдена зависимость намагниченности 31М от внешнего магнитного поля.

2. В рамках модели Хаббарда с учетом РА взаимодействия в кристалле, используя методы теории ФЛСП, выполнены расчеты температурной и полевой зависимостей намагниченности зонного гели-магентика, определена температура Нееля, а также исследовано влияние температуры на индуцированную внешним магнитным полем ферромагнитную фазу ЗШ.

3. Изучена взаимосвязь между аномалиями плотности состояний зонного магнетика вблизи уровня Ферми и характером температурной зависимости его парамагнитной восприимчивости. На этой основе предложен новый механизм, обусловливающий наблюдаемую температурную зависимость восприимчивости зонных магнетиков

4. Выполнено обобщение известного из литературы феноменологического подхода к описанию свойств зонных магнетиков с тем-пературнонщдуцированными локальными магнитными моментами: учтено обменное усиление парамагнитной восприимчивости коллективизированных электронов и релятивистское антисимметричное взаимодействие, что позволило предложить интерпретацию экспериментальных данных о неоднородной парамагнитной восприимчивости

АЛЛ •

Практическая ценность. Проведенные исследования позволили понять особенности и специфику гелимагнитного упорядочения в зонных магнетиках с кристаллической структурой типа В20 (системы Мп^Со^С » Ре^Со^Зи )• 1Ьлученные при этом результаты могут быть полезными для дальнейшего развития представлений о наблюдающихся на опыте специфических свойствах группы силицидов переходных металлов, многие из которых имеют несомненную ценность для практического применения (в частности, в качестве резистивных материалов).

Установленные дополнительные факторы сильной температурной зависимости парамагнитной восприимчивости имеют непосредственное практическое значение, например, при исследовании свойств переходных металлов, их соединений и сплавов.

На защиту выносятся:

- способ вычисления энергетического спектра одночастичных возбуждений основного состояния ферми-жидкости с неоднородным магнитным упорядочением, учитывавший релятивистское антисимметричное взаимодействие в системе;

- результаты расчетов волнового вектора гелимагнитной структуры, намагниченности и ее полевой зависимости, выполненных на основе ферми-жидкостной теории при Т =0;

- способ вычисления температурной и полевой зависимости намагниченности, а также температуры Нееля 31М в рамках модели Хаббарда методом теории ФЛСП;

- выведенная температурная зависимость критического внешнего магнитного поля, переводящего зонный гелимагнетик в индуцированную ферромагнитную фазу;

- установленные выражения для зависимости парамагнитной восприимчивости слабых зонных магнетиков, имеющих изломы на кривой плотности электронных состояний вблизи уровня Фецяи» от температуры и волнового вектора;

- способ учета влияния температурно-индуцированных в зонном магнетике локальных магнитных моментов на его неоднородную парамагнитную восприимчивость.

Апробашя работы. Материалы диссертационной работы опубликованы в четырех статьях и докладывались на ХУ1 Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (Тула, 7-9 сент. 1983), на 1У Всесоюзной конференции по кристаллохимии интерметаллических соединений (Львов, 18-20 окт. 1983) и на Всесоюзном симпозиуме "Неоднородные электронные состояния" (Новосибирск, 12-14 марта 1984).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Она изложена на №5 страницах, включая 1Ъ рисунков. Список литературы содержит 77 названий.

4.4. Выводы

I. Установлено, что аномалии на кривой плотности электронных состояний , расположенные вблизи уровня Ферми, оказывают существенное влияние на температурную зависимость однородной парамагнитной восприимчивости слабых зонных магнетиков. В частности, скорее всего, именно они обуславливают наличие зависимости кюри-веиссовского типа для также отклонения от нее в области высоких температур.

2. Показано, что эти аномалии могут, наряду с ФЛСП, являться причиной кюри-вейссовской температурной зависимости неоднородной восприимчивости % ( при малых значениях волнового вектора \

3. Выполненное обобщение феноменологической модели локальных магнитных моментов, предложенной в работе [38] , позволяет дать качественно верную интерпретацию особенностей -зависимости неоднородной восприимчивости ^(у/П моносилицида марганца в широком интервале температур.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как видно из изложенного выше, диссертационная работа посвящена решению задачи теоретического описания магнитных свойств и исследованию условий возникновения гелимагнитного упорядочения в некоторых слабых зонных магнетиках, в частности, с кристаллической структурой типа В20. На основании полученных результатов предложена интерпретация экспериментальных данных об известных в настоящее время зонных гелимагнитных соединениях Мh.Сох $L } Со* SC

Из частных выводов по работе целесообразно отметить следующие.

1. В рамках теории ферми-жидкости Ландау показано, что основное гелимагнитное состояние системы коллективизированных электронов, в которой имеет место обменное и релятивистское антисимметричное взаимодействие частиц, может реализоваться при наличии малой нелокальности последних.

2. Из установленных выражений для волнового вектора магнитной структуры и намагниченности C3IM видно, что причиной малости их значений является слабость, по сравнению с обменом, РА взаимодействия. Найдены полевая зависимость намагниченности и критическое значение внешнего магнитного поля, переводящего зонный гелимагнетик в индуцированную ферромагнитную фазу, в которой, как показано, должны наблюдаться нелинейные отклонения от построений Арротта.

3. Используя теорию температурных ФЛСП для модели Хаббар-да с учетом, наряду с внутриатомным обменом, РА взаимодействия, установлена причина низких значений температуры Нееля T/v в

С31М и показано, что волновой вектор магнитной структуры не зависит от температуры.

4. Рассмотрено влияние ФЛСП на температурную и полевую зависимость намагниченности. Найдена температурная зависимость критического внешнего магнитного поля, оказывается, что она аналогична температурной зависимости намагниченности СЗШ. Показано, что отклонения от арроттовских построений в индуцированной Ш фазе возрастают с ростом температуры.

5. Полученные теоретические результаты согласуются с экспериментальными данными о гелимагнитных системах МкцхСох5и

Ре^Со^ь

6. Исследовано влияние аномалий плотности электронных состояний $(£) , расположенных вблизи уровня Ферми СЗМ, на температурную зависимость их парамагнитной восприимчивости. Показано, что эти аномалии могут, наряду с ФЛСП, играть существенную роль в формировании зависимости восприимчивости ^ от температуры и волнового вектора; установлено, что, скорее всего, именно они обеспечивают зависимость кюри-вейссовского типа /ео/г) в М^ , а также отклонения от нее в области высоких температур.

7. Произведено обобщение феноменологической теории ФЛСП для зонных магнетиков, в парамагнитной фазе которых возможно образование ТШШ: учтено обменное усиление в подсистеме коллективизированных электронов, а в случае 31М и релятивистское антисимметричное взаимодействие.

8. Установленные на основе разработанных представлений выражения для зависимости компонент тензора парамагнитной восприимчивости от температуры и волнового вектора позволяют дать качественно верную интерпретацию экспериментальных данных об особенностях диффузного рассеяния нейтронов в Ииоь в широком интервале температур»

Для дальнейшего исследования и разработки проблем магнетизма переходных металлов и их соединений, в частности, ЗШ, необходимо прежде всего развитие микроскопической интерполяционной теории МСД, а также более точные прямые численные расчеты электронных спектров этой группы веществ.

Результаты диссертационного исследования нашли отражение в следующих публикациях.

1. Гельд ШВ., Швзнер A.A., Страшников О.Г. Особенности плотности электронных состояний и парамагнитная восприимчивость зонных магнетиков. - ДАН СССР, 1984, т.274, вып.2, с.305-308.

2. Швзнер A.A., Страшников О.Г., Гельд П.В. Особенности плотности электронных состояний и статическая парамагнитная восприимчивость MhSu . - ФТТ, 1983, т.25, в.9, с.2789-2791.

3. Страшников О.Г., Швзнер A.A., Гельд П.В. Гелимагнит-ное упорядочение ферми-жидкости. - ФНТ, 1983, т.9, в.12, с.1286-1288.

4. Швзнер A.A., Страшников 0#Г., Волков А.Г. К теории гелимагнитного упорядочения слабых зонных магнетиков. - ФНТ, т. 10, в.7, с.738-742.

5. Швзнер A.A., Страшников О.Г., Гельд П.В. Гелимагнит-ное упорядочение слабых зонных магнетиков. - Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума "Неоднородные электронные состояния", Новосибирск, 1984, с.148-149.

Автор выражает глубокую благодарность руководителям -члену-корреспонденту АН СССР, профессору, доктору технических наук Гельду П. В. и кандидату физико-математических наук Повзнеру A.A. за постановку задачи исследования и руководство работой.