Спиновая динамика и обменные взаимодействия в диамагнитно-разбавленных низкомерных антиферромагнетиках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ЭПР И СПИНОВАЯ ДИНАМИКА МАГНЕТИКОВ

1.1. Изучение концентрированных магнетиков методом ЭПР. Особенности ЭПР низкомерных магнетиков

1.2. ЭПР в диамагнитно-разбавленных кристаллах

ГЛАВА 2. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА. КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА

И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА КШСТАЛЛОВ ^ВС^(/?=&й;В=Мл,Ы)

2.1. Описание ЭПР-спектрометров. Методика измерений

2.2. Синтез монокристаллов и кристаллическая структура А2ВС£4 (А= Сь , ЯЬ ; В= Нп, Сс1).

2.3. Магнитные свойства кристаллов

I* X* 0,4).

2.4. Антиферромагнитный резонанс кристаллов

X* 0,7).

ГЛАВА 3. ЭПР ИЗОЛИРОВАННЫХ ИОНОВ Мп2+ В /^Мп^Сс^-Х С1ц

И СбгМпхи.1х[Ич(Х= 0,0014-0,ОГ).

3.1. ЭПР ионов Мл2"*" в и • • •

3.2. Структурный фазовый переход в ^Ч • • • ^

ГЛАВА 4. ЭПР ОБМЕННО-СВЯЗАННЫХ ПАР ИОНОВ Мл24* В

И (¿2^001^099 ^

4.1. Парамагнитный резонанс обменно-связанных пар ионов Мп2* в кристаллах.

4.2. Спиновый гамильтониан пары ионов Мл2* в слоистых кристаллах

I?ьтч и с^Шч . Спектр ЭПР и параметры кристаллического поля

4.3. Обменные взаимодействия лары ионов Мл24* в Д2СсШч и А2МПССч (А=Сб ,£5)

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ ЭПР СПИНОВОЙ ЩЕШМ В

ДИАМАГНИТНО-РАЗБАВЛЕННЫХ КРИСТАЛЛАХ ^Мп^Ц^СЕ^ (1*2*0,4)

5.1. ЭПР в

5.2. Высокотемпературная спиновая динамика твердых растворов

Частотная зависимость ширины линии ЭПР

5.3. Низкотемпературная спиновая динамика твердых растворов

Поведение ширины линии ЭПР вблизи магнитного фазового перехода

5.4. Особенности ЭПР вблизи точки магнитного протекания

В настоящее время интенсивно исследуются неупорядоченные маг-¡тики, в которых магнитные атомы не образуют правильной кристал-:ческой решетки. Особый класс таких магнетиков образуют твердые )астворы магнитоупорядоченных соединений с диамагнитными примеся-ш. Кристаллы таких соединений находят применение в оптике, квантовой электронике, химии и других отраслях науки и техники.

Магнетизм магниторазбавленных систем сильно отличается от звойств обычных ферро- и антиферромагнетиков, в частности, даль-шй порядок при замещении магнитных ионов диамагнитными сохраняется в них до некоторой критической концентрации X « . Определение критической концентрации магнитных ионов Хс и исследова-аие зависимости критической температур смешанной системы Тс от концентрации могут служить для цровёрки правильности теоретических представлений о состоянии концентрированного магнетика, например, выводов о типе магнитной структуры и о величинах обменных взаимодействий. Следует заметить, что проблема основного состояния в магниторазбавленных кристаллах изучена крайне недостаточно как теоретически, так и экспериментально, что объясняется ее очевидной сложностью. Для разбавленных систем неприменимо описание спектра магнитных возбуждений, основанное на использовании строгой периодичности магнитной структуры, поскольку распределение магнитных ионов в кристалле является статистическим. Тем не менее, для магнетиков с простой геометрией структуры, таких как кристаллы с высокой симметрией кристаллической- решетки, где обменное взаимодействие магнитных ионов со всеми ближайшими соседями можно считать одинаковым, получены существенные результаты, подкрепленные экспериментальной проверкой. Вию показано, в частности, что критическая концентрация в системе определяется главным образом размерностью магнитной структуры и практически не зависит от величины и анизотропии обменного взаимодействия, а кривая Тс(х) ли

Йно спадает с уменьшением X в области высоких концентраций резко обмывается к Т=0 в о1фестности Хс

Особый интерес в этом плане представляют низкомерные магне-1ки, характеризующиеся заметным различием о пленных взаимодейст-1Й по разным направлениям кристалла. К настоящему времени изве-гно большое число магнитных кристаллов, которые могут быть отне-зны к низкомерным [I]. Для выяснения изменения магнитных свойств 1гнетика при диамагнитном разбавлении наиболее удобными объекта-I являются квазвдвумерные системы, имеющие относительно высокую зшературу магнитного упорядочения (10-100 К). Такие магнетики эстоят, например, из ряда далеко отстоящих плоскостей, так что заимо действие меялу ошвами магнитных ионов, лежащих в разных лоскостях, мало по сравнению со взаимодействием спинов в одной лоскости.

Вопрос о природе и процессе установления магнитоупорядочен-ого состояния в квази двумерных магнетиках не является окончатель-о решенным. Если магнитные ионы связаны только в двух измерени-х, само существование фазового перехода зависит от симметрии га-ильтониана. Фазовый переход в состояние с дальним порядком су-рствует в двумерной модели Изинга [2] и отсутствует в двумерной юдели Гейзенберга и в ХУ-модели [з]. Задачей теории и экспери-внтальных исследований является выяснение влияния различных от-слонений от идеальности на появление фазового перехода и на их юль в формировании значения температуры перехода в реальном гейзенберговском магнетике.

Весьма актуальным является детальное экспериментальное исследование почти идеального гейзенберговского антиферршагнети-са <?Ь2МлС1ч, влияние диамагнитного разбавления на его магнит-зые статические и динамические свойства. В лаборатории резонан-зных свойств магнитоупорядоченных веществ ИФ СО АН СССР проведе комплексное исследование магнитной статической восприимчивос-I, полевой зависимости магнитного момента, магнитного резонанса зердах растворов в широком диапазоне температур

5-500 К) и полей (1-70000 Э).

Целью настоящей диссертационной работы является изучение этодами магнитного резонанса спиновой динамики, обменных взаи-з действий в диамагнитно разбавленных квазидвумерных антиферромаг-зтиках Я^МпхС^хЩ ж С^М^СУ/.Х^Ч в широкой области кон-энтраций X , включая кристаллы с отсутствием магнитного порядка, агнитные свойства твердых растворов определяются значениями об-энных интегралов, параметрами кристаллографической анизотропии распределением магнитных ионов по решетке. Одним из мощных со-ременных методов, позволяющих непосредственно определить эти ветчины, является электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). В по-деднее десятилетие этот метод успешно используется для изучения епшовой динамики концентрированных магнетиков. В частности, зтановлено существование спиновой диффузии в низкомерных крис-аллах. При приближении к температуре перехода в магнитоупорядо-енное состояние линия ЭПР резво уширяется в связи с критическими луктуациями параметра порядка. Исследование этого процесса дает нфоругацию о спиновых корреляциях вблизи фазового перехода и поз-оляет выявить эффекты низкой размерности в процессе магнитного поредочения. Мы покажем, что в диамагнитно-разбавленных низко-ерннх магнетиках ЭПР позволяет получить подробную информацию о заимодействии спинов.

Новизна результатов. Впервые синтезированы и исследованы е то дом магнитного резонанса монокристаллы твердых растворов и ЬгМпхСо1|.хСЦ (Х=0,001г0,01).

Изучены спект|Н ЭПР изолированных ионов Мл2+ в КЬ^Мп^СЛ^СРц х = 0,001) и ^Мм^И/^С^ (х = О 001), определены параметра к спального и кубического кристаллических полей. Из спектров ЭПР менно - связанных пар ионов Ш^* определены параметры обменного $аимо действия между ближайшими гонами Сопоставление с вечинами обменных интегралов, полученных из измерений статической итнитной восприимчивости, позволило оценить параметры обменного р. аимодействия между вторыми соседями ионов Мл .

Анализ микроскошческих параметров показал, что кристалло-эа^ическая анизотропия в Кб^МлК*/ определяется в основном диполь-шольннм взаимодействием, а температура трехмерного магнитного юрядочения формируется совместным действием внутриплоскостного бмена и поля анизотропии.

Подробно изучена динамика спиновой системы в зависимости от X . Установлено резкое изменение параметра с иловой диффузии в точке магнитного протекания, Хс = 0,59. Для со-тавов с Х>ХС спиновая корреляционная функция имеет вид, типич-ый для двумерных магнетиков, дня X* Хс - ближе к зависимости, арактерной для одномерных систем.

Вблизи магнитного фазового перехода ушрение линии ЗПР опре-оляется расходимостью спиновой корреляционной функции и имеет ¡тепенную зависимость от Для всех кристаллов определе

1Ы показатели степени этой температурной зависимости, найдены тем-юратуры кроссовера от двумерного поведения системы к трехмерному.

Впервые исследован антиферромагнитный резонанс (АШР) в диа-Еагнитно разбавленных кваздцвумерных кристаллах. Найдены вели-шбы обменных полей, полей анизотропии и спин-флопа в

Данные положения совместно с конкретными экспериментальными результатами и сформулированными на их основе выводами выносятся автором на защиту.

Практическая ценность. Подучена новая достоверная информация о микроскопических параметрах спин-спинового взаимодействия и: спиновой динамике даамагнитно-разоавленных кристаллов

НИдСс/^СЬ/ и й^Ми^Сс¿/-^С&ц . Данные позволяют построить фа-овую диагражгу данных твердых растворов, рассчитать поведение амагниченности и статической восприимчивости, выявить природу агнитного упорядочения в квазвдвумерннх гейзенберговских анти-эрршагнетиках. Результаты представляго интерес для развития еорш основного магнитного состояния и спиновой динамики квази-изкомерных атомно-неупорядрченных систем.

L&BA I. ЭПР И СПИНОВАЯ ДШАШКА. ШГНЕШЮВ

I.I. Изучение концентрированных магнетиков методом ЭПР.

Особенности низкдаерных антиферромагнетиков

Исследование спиновой динамики низкомерных магнетиков пред-гавляется важным вопросом в квантовой теории магнетизма. Просто-а кристаллической структуры цепочечных (одномерных) и слоистых цвумерных) кристаллов позволяет провести теоретические расчеты становой динамики таких систем. Кроме того, вопросы спиновой ди-амики важны для структурной химии. Из динамических свойств низ-омерных магнетиков, в частности, из ширины линии ЭПР можно опре-элить интеграл обменного взаимодействия. Хотя обычно эта величи-а определяется из измерений статической восприимчивости, но в лучае слабых обменных взаимодействий, особенно в случае слабых ежцепочечных либо межшюскостных обменных взаимодействий метод ИР является наиболее чувствительным.

Динамическая спиновая корреляционная функция <5Щ(о)) южет быть исследована различными методами: нейтронного рассеяния, SEP, ядерного магнитного резонанса (ЯМР), рассеяния света, месс-»ауровской спектроскопии [4]. Наиболее прямой метод получения оорреляционной функции является метод неупругого нейтронного рас-юяния, так как сечение магнитного рассеяния нейтрона с энергией tlUJ пропорционально (S^S-ф)цг, пространственной и частотной дурье-траноформанте (SifilSj(Oj) с волновым векторш cj, и частотой Uf .Но эта техника не всегда доступна. Кроме того, для систем с малым числом магнитных ионов, каковыми являются низкомер-зые магнетики, трудно проводить исследование нейтронного рассея-шя из-за слабой разрешащей способности по СО и больших начальных щумов. Время ядерной магнитной релаксации определяется корреляционной функцией

-/ 9 ютота ШР значительно меньше характерных времен движения элек-эонного спина, поэтому обычно наблвдапг компоненту с Ш = 0.

ЭПР имеет большую разрешающую способность, чем метод не упру-эго нейтронного рассеяния. Так как радиочастотное поле однород-1 э по всему образцу, то в ЖР измеряется динамическая корреляции зная функция с су , близким к нулю.

В исследованиях методом магнитного резонанса на образец по« ается постоянное магнитное поле Н и перпендикулярное к нему ела-ое переменное поле Н^соь^. в переменном поле система спинов риобретает намагниченность [б]. мхгН1{ + у "(ш)ЪтигЬу (2) нтенсивность поглощения энергии высокочастотного поля определятся как 0 п И ! / ^

Р= шу. Н1 . (з) дя описания поведения системы спинов вводится матрица плотности

Р~ Ър{ехр(-Яи/кТ)} ' (4) а ще - полный гамильтониан системы. Под влиянием переменного юля система совершает переходы медду состояниями с энергией Еп I £/г). Если заселенность уровней системы определяется с помощью щагональных элементов матрицы плотности и если считать, что не меняется со временем, то мощность поглощения 2 2 00

Ь)=^}с^ЕГппКп1Мх1т)12е'(5) е - оператор намагниченности. В гейзенберговском представ

01111 (6) радение душ мощности поглощения имеет вид: схэ раа линии ЭПР Л

8) оо се их(о)у о) ляется функцией релаксации. < ) означает статистическое сред->е. При выводе этих формул были использованы следующие допущения: ярица плотности в любой момент времени не зависит от Н^, для о пития системы применима теория возмущений по Н^ т.е. > Н^ ~Ьшпт «кТ. Эти условия выполняются хорошо в обычных ЭПР-экс-■риментах.

Точное вычисление функции релаксации в реальных системах по »рмуле (9) невозможно, поэтому душ вычисления используют шближенные методы: метод моментов [5], метод семи-инвариантов о и другие статистические метода. Гамильтониан системы Ж мож-> представить в виде сушы невозвденшго гамильтониана Ж0 и ш>го возмущения^ Х1 , которое ответственно за ущрение линии [Р. В качестве <#„ рассмотрим зеемановскую энергию и обменную

Л Л ^ Л Л /\

1ергию: Жо'Х^ ^-¿х • Зеемановская энергия -^рНИв^^, \е ^ - фактор спектроскопического расщепления, Н - постоянное игнитное поле, направленное по оси г , в - магнетон Бора. Га

Л ] Л А шьтониан обменного взаимодействия Ж ¿а: » где ^¿^ параметр обменного взаимодействия медду и ^ ионами. Комму

12 л

Г0|Ы ¡Кссс ДН Значит, обменное в зайце йствие не изменяет положение резонансной линии, но влияет на л прение линии, вызванноеВ гейзенберговском представлении ^ Запишем уравнение движения И ^^ = [Лх [Я Жо+%,]. <ю) бо и Томита [V] разложили и^) по малому параметру Е1:

Лх(1)= сМ°хаЬЛх(Ь)+ ■■■ + ЛхП)Ш равичившись вторым порядком ПО , они получили

Ц Ц) = екр [- 6о } а-гМъН*. (П) тщя корреляции

1лхЛМШо)Лх]\>

ЛхЛМ\2> юрой момент линии д

2 <|[^ХД(0)]|2>

Iалогичный результат для (II) получил Андерсон [5]. Он не зпользовал разложения по малому параметру, а положил, что дпсция распределения локальных полей является о сационарной и имеет гауссову форяу:

Р(Х,±)=ГМХ (е-'Х)}

Если знаем функцию 1/(Т) , то можем найти форму линии ЭПР и з характеристики. Для лоренцевой формы линии ширина линии

A H^fJn^dLt. аз) всь у - гиромагнитное отношение, равное 1,76-Ю7 сек"'1' гс"^. обы получить У (z), нужно знать явный вид Ж] . В качестве §tf sho рассматривать одноиошую анизотропию, анизотропное обменное аимодействие, электрон-ядерное епин-спиновое взаимодействие и д. Чаще всего уширение линии ЭПР определяется даполъ-дипольным аимо действием - радиус-вектор между i и ] -ионами. Этот гамильтониан удобо п ^ переписать [6J

А 2 г ,

М^)'. (15) се М-г f±2--3 m3 ь-п2б--z±2LfcJ W " 4 X£/ / • цесь введены следующие обозначения: = Sf - S^ , Эс^ и ftj -полярный и азимутальный утлы вектора 1- .; F¿j - дипольные фак ч Г т <j о эры. Согласно формуле (12) [8], ^ <£(о)>. ц6) р = X>2 • Спиновая корреляционная функция для дипольюльного взаимодействия является функцией 4-го порядка по спино

I переменным. В расчетах У^) используют процедуру расцепления гырехспиновой корреляционной функции на произведение двухспино2 с^ёБ)^)' [б]. Полагают, что корреляции анизотропны: чЩ®) = 2<ЬЦЬЩ(0)> . Тогда

2<5^5*>2. (17)

Рассмотрим влияние размерности магнитной системы и обменного аимодействия на форлу и ширину линии ЭПР.

1. Трехмерные магнетики. Обменное взаимодействие отсутствует, этом случае для кТ» Ъ Ш0 и ^ ¡-¡(у нет случайной модуляции инов по х ж У(т)=1, тогда eoc.jp2 ^ ) . » что придет к гауссовой форде линии: \ 2 Л4. . 7 < (ЫГ0) 1 рина линии ЭПР А Н = ( ^о ) ^ Для кубического кристалла |9]

2. Трехмерный магнетик. Обменное взаимодействие превышает ди->ль-дипольное взаимодействие, М^-Н^/Ь »Ш0~. Время кор-5ЛЯЦИИ Тп мало. с ь со о как независимо от вида, корреляционной функции [Б] со ма линии ЭПР является лоренцевой. у(и!) = ( So /Ufex)-[w2+ (iï02Mex)2Y1. <2® жна линии A H - 6q Гс . Дня простой кубической решетки [9] щ « 10/3 тт0- , бп-bU в отсутствие обмена (см.выражение (19)) Hex wHe* = №SMZ*LlîJ]1,2t (2D

- число магнитных ионов в б -ой сфере.

3. В кристаллах низкой магнитной мерности форма и ширина линии Р не может быть объяснена теорией Кубо-Томиты ¡7]. В таких маг-тиках взаимодействие между соседними ионами оказывается ослаблений в не ко то pi х направлениях из-за увеличения расстояния между нами. При этом возникает возможность спиновой диффузии, которая ределяет угловое и температурное поведение ширины линии ЭПР. ассическое уравнение диффузии

Цч-^ДБ =0, (22) te <Dd - параметр оптовой дайуаш, имеет решение |Ю] SI (t ) 5. \ > = < s J S.I ) eocp (- Dd ф2 r ). (23) d гласно формуле (17), для t-*co H/('C)"Z 2 , где d - размерить магнитной системы. Для трехмерного магнетика корреляционная акция VYr) дает зависимость X , близкую к модели обменго сужения: Vlt) ~ (г 2).

Для двумерной системы Umffc)- Г 7 что, согласно (II), щш-дат к ea:/D(-cit-C2i fot Но), (24) и С? - независящие от времени функции. Форма линии близка к ло-нцевой и A¡i^^H^iod * ГД® №ех) - сложная функция . вывод будет дан в главе 5. Для одномерной цепочки в длинновременном пределе nr) = Y(o)(rc/-e)í/2. (25) гласно (II),

§ (i) = еар (-ft)2/2. (26) рла линии ШР для идеальной одномерной цепочки определяется фурье-юобразованием функции релаксации (26) и является промежуточной дду лорещевой и гауссовой линией. Ширина линии дм^иУЧП

9 Ц}, обшвнвй интеграл магнитных ионов дашчки. • тематическое представление корреляционной функции ^(х) для низшие рных систем показано на рис Л.

Корреляционная функция быстро спадает за Х^Ъ/^, где £ -обменный интеграл в плоскости магнитных ионов для двумерных маг-5тиков (2с1) или в цепочке для одномерных магнетиков (1с/). Ди$фу-юнный спад корреляционной функции сохраняется до » - обменный интеграл между слоями в 2 с/ или между цепочка-I в 1с1. Учет диффузионного вклада ъУ(т) позволил объяснить уг-эвые зависимости ширины линии и отклонение форды линии от лорен-звой для низкомерных магнетиков.

В трехмерных магнетиках для Т» Т^ ширина линии ЭПР в крис-*ллах кубической симметрии не зависит от направления магнитного эля. Дня аксиальных кристаллов Д.Н(0)~ f+aCoi&(l2], где В -угол между магнитным полем и осью высшего порядка кристалла. ш двумерных магнетиков [ю] ли {е)*д+в(Зоа>2е-1)2, <»> чя идеальных одномерных [il] лн (е) = ^в(Зст2в-1)ч/3, (29) це А и В - некоторые положительные константы, если за ушрение шш ответственно диполь-диполъное взаимодействие. Таким образом, низкомерных магнетиках при высоких температурах наблюдается ми-шум ширины линии ЭПР для 9 = 55°.

Для неидеальных двумерных и одщомерных магнетиков не всегда. цается записать формулы для ширины линии ЭПР. Для каждого соедиt зния нужно проводить численные расчеты. Приближенные формулы для гривы линии низкомерных магнетиков приведены в табл.1 [в]. В этой ic. I. Схематичное представление спиновой корреляционной функции ехр(~-|г- )в области коротких времен, 0< Г ¿ . в диффузионной области, Т1*Т<?2. щцдицн x. ^ vjjuajr jidl uuajjjciaa <шшш ч/juu. « J^ryrv <4V-"A чу — w

Система Общая формула деленные величины одномерная О Hd 0,89<aw2> Kill * CDd/c2),/3 ■ - 1/2 и я 13Ч0|}| ?/з) JsM(9c/2Y. одномерная с учетом межцепочечной обменной связи тя'м'Ъ^ двумерная |r2,=|r0{tn(^0)-i}- 2 ^Uf^ofp (Mdd/a2)2^ bJVd/a2 l'^Чаи^Л J' двумерная с учетом межплоскостной связи f^N^H}- г, <ы»2>К1гО Ъ (J2i) 0 (8jl<Dd/ci2)2 таблице а и С -параметр! элементарной ячейки, определявшие расстояние мевду магнитными ионами в квадратной решетке (а) и в о одномерной (с), а и С даны в А, % и температура трехмерного магнитного упорядочения в градусах Кельвина, д Н в гауссах. Полный второй момент к 6/

40^=1^012= и'^ГгцКЫЩ-ЩгЪц)'

Параметр спиновой диффузии был получен в работе [13] численным решением уравнения (22) в предположении, что Ъ^~/). Для одномерных магнетиков

Ъа(Ы)=2,66¡¿Iсг!ь, (зо) для двумерных

2/, , ,,1/2

1/3 (2*) \}\а2!ь [гЩ) 01)

Ъ - число соседей, связанных ос&еном £ , - число магнитных ионов, связанных с рассматриваемым ионом обменом ^ . время обрезания корреляционной функции, для 1с1

1 % (2ЯЪс1 ) <1* /у

1°=1з25(5^0 J ^ с2-16 ) ■

Экспериментальные исследования по одномерным магнетикам приведены в работах Хенессии и Ричардса [8,14]. Среди двумерных магнетиков к настоящему времени исследованы 1СгМп Ёц [10,15, 16],КЬ/1п Гч [1б],К3Ми2Р? [17], К2Ип:)сНд|.хГч[18],

Г19], (сн3щмп и ч и (с2н5щмпач [20,21], ип (с18н35о2)2 [22],

Юр-2\ , где ВР - бдении, Тз=СНз0(СН2СН2О)з'СН3 [2з]. Форма линии ЭПР, угловая и температурная зависимость ширины линии этих кристаллах хорошо описываются длинновременными диффузион-шми процессами. вИгСаР1{ [24], [25]Си Вьч[2б],

Х1НС00)2Щ0 [27], (СеН5т2)гШн [28,29] ,(СИН2т1^2СаССч :п = 1,2,3) ["зо],(МН3СН2)пСи-ч (п= 2,3,4) [31] для объяснения отличной от (25) угловой зависимости ширины линии необходимо помимо диполь-дипольного взаимодействия учитывать анизотроп-шй и антисимметричный обмен и неэквивалентное положение магнит-аых ионов.

Основные результаты диссертации докладывались на I Советско-Индийском симпозиуме по актуальным проблемам магнитной резонансной спектроскопии (Душанбе, 1982), на Всесоюзном симпозиуме по неоднородным электронным состояниям (Новосибирск, 1984), на Всесоюзной конференции по магнитному резонансу (Казань, 1984), на Всесоюзном семинаре по магнитным фазовым переходам и критическим явлениям (Махачкала, 1984) и опубликованы в работах ¡12, 102,138-148-150].

В заключение приношу глубокую благодарность своему научному руководителю, доктору физ.-мат.наук, профессору Г.А.Петраковс-кому за постановку задачи, обсуждение результатов и помощь в работе. Я глубоко признательна канд.физ.-мат.наук Э. А. Петраков-ской за приятное сотрудничество, И.Т.Кокову за помощь при выращивании монокристаллов. Автор выражает благодарность сотрудникам Казанского госуниверситета канд.физ.-мат.наук В.Г.Степанову, канд.физ.-мат.наук Р.Ю.Абдулсабирову, В.Н.Ефимову за помощь при проведении измерений спектров ЭПР пар ионов в ^САЫц иЯЬ^Сс!. С 2 ц , кацд.физ.-мат.наук Величко В.В. за помощь в измерениях на видеоспектрометре 8-мм диапазона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Конкретные результаты исследования методами магнитного резонанса диамагнитно-разбавленных двумерных антиферромагнетиков изложены в выводах к отдельным главам. В заключение перечислим кратко основные результаты работы.

Впервые выращены монокристаллы твердых растворов

КЬ2МпхИ1.хСВ.ч (1,о>,%>, 0,001) и &2МпхИ,хМч ( х =

0,00ЬК),01) и исследованы резонансными методами: методом электронного парамагнитного резонанса и методом антиферромагнитного резонанса.

Определены температуры магнитного упорядочения, поля спин-флопа, поля анизотропии в ^МПдХсЖ^СКц (1*0>, X >/ 0,62). Показано, что трехмерное упорядочение в наших квазидвумерных кристаллах вызвано совместным действием внутриплоскостного обмена и поля кристаллографической анизотропии.

Исследованы спектры ЭПР изолированных ионов и обменно-свя-'занных пар ионов Шт?+ в ^Мп^Сс^дС^ и 0>2МИ()01Ц)99^Ч• Определены параметры одноионной анизотропии, параметры кубического кристаллического поля, константы сверхтонкого взаимодействия и интегралы обменного взаимодействия между ближайшими ионами Мп2"1*. Эти данные использованы для расчетов величин взаимодействий, определяющих ширину линии ЭПР в концентрированных магнетиках.

Из сопоставления данных ЭПР и магнитной восприимчивости оценены параметры обменного взаимодействия соседей, следующих за ближайшими в КЬгГШч и СЦМпСИц.

В твердых растворах ^МПдХс^СЦ концентрационное изменение формы линии ЭПР, угловых зависимостей ширины линии, резонансных полей, вычисленные величины параметров обменного сужения линии ЭПР и измеренные параметры спиновой диффузии показывают, что для составов с X С 0,62 двумерный антиферромагнетик испытывает существенные изменения спиновой корреляционной функции. Эти изменения связаны с критической концентрацией, соответствующей точке магнитного протекания.

Для составов с 0,62 проанализировано поведение ширины линии ЭПР вблизи Т^. Определены области критического поведения ширины линии, критические индексы. Во всех кристаллах наблвда-ется кроссовер от двумерного поведения к трехмерному в непосредственной близости к Тм.

1. Александров К.С., Федосеева Н.В., Спевакова И.П. Магнитные фазовые перехода в галлоидных кристаллах. Новосибирск,1. Наука, 1983, гл.2,3.

2. Phase transition and critical phenomena /Ed. Domb C., Green H. London-New York: Academic Press« 1974, v.1-6.

3. Mermin H.D., Wagner H. The absence of ferromagnetism and antiferromagnetism in one- and two-dimensional Heisenberg models. Phys.Rev.Lett., 1966, v.17, Ho 20, p.1133-1136.

4. Hone D., Richards P.M. One- and two-dimensional systems. -Annu.Rev.Mater.Sci., 1974, v.4, No2, p.337-363«

5. Абрагам А. Ядерный магнетизм. M. : ИД, 1963, гл.4,10.

6. Александров И.В. Теория магнитной релаксации. М. :Наука,1975.

7. Kubo К., Tomita К.A. A general theory of magnetic resonance absorption. J.Phys.Soc.Japan, 1954» v.9, Ho6, p.888-919.

8. Richards P.M. Consequences of exchange in low dimensional compounds: High temperature spin dynamics as sampled by magnetic resonance. In: Low-dimensional cooperative phenomena. New York, 1975, p.147-169.

9. Альтшулер С.A., Козырев Б.М. Электронный парамагнитный резонанс соединений элементов промежуточных групп. М.:Наука, 1972, с. 170.

10. Richards P.M., Salamon Н.В. Exchange narrowing of electron spin resonance in two-dimensional system. Phys.Rev., 1974, v. 69, No1, p.32-45.

11. Cheung T.T.P., Soos Z.G. Theory of exchange narrowing in low-dimensional correlated spin systems. J.Chem.Phys., 1978, v.69, No8, p.3845-3853.

12. Yokozawa Y. ESR of antiferromagnet KgMnF^ above Heel temperature. J.Phys.Soc.Jpn., 1971, v. 31, No5, p.1590.

13. Heber D.L., Seehra M.S. Critical-point anomaly in the EPR linewidth of two-dimensional antiferromagnets. Phys. Lett., 1973, v.43A, Ho3, p.311-312.

14. Wig'en C.M.J., Wijen H.M. Critical line broadening of the EPR in the double-layer antiferromagnet K^MhgFy. Phys. Rev., 1981, V.B24, No9, p.5368-5371.

15. Tanimoto M. Influence of impurities to EPR in two-dimensional antiferromagnet KgMhP^. J.Phys.Soc.Jpn., 1979, v. 47, Ho2, p.476-480.

16. Walsh W.H. , Birgeneau Jr.R.J. , Rupp L.W., Gugenheim H.J. EPR study of spin dynamic near the percolation threshold of Rb2MncMg1-cP^. Phys.Rev., 1979, v.B20, Ho11, p.4645-4659.

17. Boesch H.R., Schmocker H., Waldner P., Emerson K., Drum-heller J.E. Strong exchange narrowing in new two-dimensional paramagnetic systems. Phys.bett., 1971, V.36A, Ho6, p.461-462.

18. Benner H. Experimental evidence for spin diffusion in the planar Heisenberg magnet (CgH^NH^MnCl^. J.M.M.M., v. 13, No1-2, p.103-106, 1979.

19. Birgeneau R.I., Rupp. Jr.L.W., Gugenheim H.I. Lindgard P.A., Huber D.l. Critical electron-paramagnetic-resonance spin dynamics in HiClg. Phys.Rev.Lett•, 1973» v*30, No25» p. 1252-1255.

20. Willet R.D., Exfcine M. ESR linewidths and g-values of some two-dimensional copper bromide salts. Chem. Phys.Lett., 1973, v.23, Uo2, p.281-283.

21. Shia L., Kokoszka G. EPR of a two-dimensional magnetic lattice Myig^^CHCOOg 21^0. J.Chem.Phys., 1974, v.60, Eo3, p,1101-1105.

22. Raymon W., Willet R.D., Drumheller J. An EPR study of inter-layer exchange coupling in the quasi-two-dimensional salt

23. Шкловский Б.И., Эфрос А.Л. Электронные свойства легированных полупроводников. М.: Наука, 1979, гл.5.

24. Андерс А. Г., Звягин А.й., Юрко Б.Г., Пелих Л.Н. Влияние магнитного разбавления на магнитные свойства вольфрамата меди.-В кн.: Физика конденсированного состояния, Харьков, 1973, вып.24, с.75-93.

25. Breed D.L., Gilijanvse К«, Sterkenburg I.W.E., Miedema A.R. Ordering in two- and three-dimensional diluted Heisenberg antiferromagnets. J.Appl.Phys., 1970, v.41, No3(II),p.1267-1268.

26. Birgeneau R., Cowley R.A., Shirane G., Gugenheim H.I. Spin correlations near the percolation concentration in two dimensions. Phys.Rev.Lett., 1976, v.37, No14, p.940-943.

27. Cowley R.A., Shirane G., Birgeneau R.I., Svensson E.C., Gugenheim H.I. Spin correlation near the percolation threshold in three-dimensional antiferroamgnets. Phys.Rev., 1980, v.22B, Uo9, p.4412-4423.

28. Birgeneau R.I., Cowley R.A., Shirane G., Tarvin I.A., Gugenheim H.I. Spin fluctuation in random magnetic-ion magnetic two-dimensional antiferromagnets. II. Heiseriberg percolation. -Phys.Rev., 1980, V.B21, Uo1, p.317-332.

29. Prater I.T., Egami T. Magnetic studies on the dilute paired antiferromagnet RbMn^Mg^^Cly J.Appl.Phys., 1980, v.50, Ho3, p.1732-1734.

30. Киркдатрик С. Перко ляция и цротекание. В кн.: Новости физики твердого тела. Вып.7. Теория и свойства неупорядоченных материалов. М., 1977, 0,249-292.

31. Alexandrowicz Z. Critically branched chains and percolation clusters. Phys.Lett., 1980, V.80A, Ho4, p.284-286.41* Hammersey I.M., Welsh D.J.A. Percolation theory and itsramifications. Contemp.Phys., 1980, v.21, Лоб, p.593-605.

32. Абрагам A., Бжни Б. Электронный парамагнитный резонанс переходных ионов. М.: Мир, 1972.43* Kittel С., Abraham Б. Dipolar broadening of magnetic resonance lines in magnetical crystals. Phys.Rev., 1953» v.90, Яо2, p.238-239.

33. Кочелаев Б. И., Сабиров Р.Х., Халиуллин Г. Г. Ширина линии ЭПР в разбавленных парамагнетиках. ФТТ, 1977, т. 19, ЖЕ, с.152-158.

34. Хеннер Е.К., Шапошников И.Г. Концентрационные эффекты в ЭПР. Сб. Радиоспектроскопия. Пермь, 1981, с.152-161.

35. Bonie В., Sardo R. Resonance paramagnetique electronique. -Etude des properties magnetiques et magnet oherziennes dela solution solide MnO-MgO. С.R. Acad.Sci.Paris, Ser.B, 1973, V.276B, p.689-692.

36. Henner E.K. Shaposhnikov I.G. Clustering of magnetic ions in diluted solid paramagnets. Phys.stat.sol.(a), 1979, v.55, No1, p.315-324.

37. Ария C.M., Винтруфф В. Спектры ЭПР твердых растворов МпО

38. М§0,Со0-М^0 . Вестник ЛГУ, 1969, вып.22,с.87-91.

39. Ануфриев В.Г. Электронный парамагнитный резонанс ионов груп-железа в разбавленных магнитных окислах. Дис. . канд. физ.-мат.наук. Рига, 1979. - 130 о.

40. Ануфриев В. Г., Улманис У. А. ЭПР в твердых растворах Ми^Мс^О Изв.АН Латв. ССР, сер.физ .-техн. наук, 1979, №5, с. 13-16.

41. Oseroff S.B., Calvo R., Giriat. Electron spin resonance in Cd^^Miyoe. J.Appl.Phys., 1979, v.50, Uo11(2), p.7738-7739*

42. Oseroff S.B., Calvo R., Pish Z., Acker P. Magnetic behavior of Cd^^Mn^Se. Phys.Lett., 1980, V.80A, Ho4, p.311-313.

43. Groshulski Т., beibler К., Sienkiewicz А., Galazka R.R. EPR investigation of ordering effects in Hg^^Mn^Te. -Phys.stat.sol.(Ъ), 1979, v.91, Ho1, p.K73-K76.

44. Piorani D#, Viticoli S., Korteveg G.A. EPR powder spectra of Co(II) in ZnRhgO^ spinel matrix. Sol.stat.comm., 1980, v.36, Uo1, p.89-91.

45. Piorani D., Viticoli S. EPR study of Co^Zn^RhgO^ spinel solid solution. J.Phys.Chem.Sol., 1980, v.41, Ho9, p.959-961.

46. Piorani D., Lapiccirella A., Viticoli S. Investigation of magnetically diluted spinels. JMMM, 1980, v.15-18, Ko3, p.1311-1312.

47. Радиоспектрометр РЭ 1307. Радиоспектрометр РЭ 1308. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 1Г2.747.210 ТО, Научно-техническое объединение АН СССР, 1979.

48. Фазовые перехода в кристаллах галоидных соединений АВХ3. Новосибирск, Наука, 1981, гл.1,3.

49. Epstein A., Gurenwitz Е., Makowski I«, Shaked Н. Magnetic structure and two-dimensional behavior of RbgMnCl^ and Cs2MnCl4. Phys.Rev., 1970, v.B2, Uo9, p.3703-3706.

50. Von Seifert H.J., Koknat F.H. Heue alkalichloracadmate (II) in den System CsCl/CdClg. Zeit.anorg.allgem.Chemie, 1968, В.357, Н 4-6, S.314-324»

51. Березинский В.А., Бланк А.Я. Термодинамика слоистых изотропных магнетиков. ЖЭТФ, 1973, т. 64, Ш, с. 725-739.

52. Ritchie D.S., Fischer М.Е. Finite-size and surface effects in Heisenberg films. Phys.Rev., 1973, v.B7, Ho1, p.480-494.

53. Малеев С.В. Дипольные силы в двумерных и слоистых ферромагнетиках. ЖЭТФ, 1976, т.70, J66, с.2374-2389.

54. Lines М.Е» Antiferromagnetism in layer structure by Green function techniques. Phys.Rev., 1963, v. 131» Ho2, p.540-545.

55. Stanley H.E., Kaplan Т.Д. Possibility of a phase transition for the two-dimensional Heisenberg model. Phys.Rev.Lett., 1966, v.17, Uo19, p.913-915.

56. Lines M.E. The quadratic-layer antiferromagnet. J.Phys. Chem.Sol., 1970, v.31, No1, p.101-116.

57. Schroder B., Wagner V., Lehner H., Kisharwani K.M., Geik R. Spin wave analysis of the two-dimensional Heisenberg antiferromagnet s RbgMnCl^ and (СН^Ш^)^ MnCl^. Phys. stat.sol.b), 1980, v.97, No2, p.501-511.

58. Бажан А.Н. Исоледоваше магнитной воспримчивости разбавленного антиферромагнетика MnQpZriQgFg . Письма ЖЭТФ, 1983, т.38, Ж, с.25/28.

59. Breed D.I., Gilijamse К,, Sterkenburg I.W.E., Niedema A.R. Some experiments on magnetically diluted antiferromagnets. -Physica, 1973, v.68, Uo2, p.303-304.

60. Strobel K., Geick R. Magnetic resonances in perovskite-type layer structures. Physica, 1981, v.108, Ho1-3, p.951-952.

61. Wiltshire M.C.K. Antoferromagnetic resonance in Mni;cZncP2. -J.Phys.C., 1971, v.10, No2, p.L37-L39.

62. Brady Moriera P.G., Pittipaldi I.P. Hew effective medium approach for randomly diluted uniaxial antiferromegnets: application to Phys.Rev., 1981, V.B24, Ho11t p.6596-6599.2+

63. Folen V.I. Electron-spin resonance of KgZnP^sMn . Phys. Rev., 1972, v.B6, No5, p.1670-1677.

64. Edgar A., Siegel E., Urban W. Magnetic single-ion anisotropy2+and zero-field splitting of Mn in some low-dimensional chlorides. J.Phys.C, 1980, v.13, ВД6, p.6649-6657.

65. Федосеева H.B., Спевакова И.П., Бажан А.Н., Безносиков Б.В. Опрокидывание магнитных моментов подрешеток антиферромагнитного Rb2MnCi4 в магнитном поле. ФТТ, 1978, т.20, №9,с. 2776-2780.

66. Петраковокая Э.А., Емельянова Л.С. Исследование парных взаимодействий в кристаллах методом электронного парамагнитного резонанса. В кн.: Резонансные и магнитные свойства маг-нитодиэлектриков. Сб.статей, Красноярск, 1978, с.116-154.

67. Coles В.А, Orton I.W., Owen I. Antiferromagnetic exchange2+interaction between Mn in MgO. Phys.Rev.Lett. , 1960, v.4, No1, p.116-117.2+104» Harris E.A., Owen I. Bequadratic exchange between Mn ions in MgO. Phys.Rev.Lett., 1963, v.11, Ho1, p.9-10.

68. Electron paramagnetic resonance. Ed.S.Geschwind. К.Y.London. Plenum Press, 1972, Ch.6.

69. Валишев P.M. Обменные взаимодействия во фторсиликате никеля. В кн.: Парамагнитный резонанс. Вып.З, Казань, 1968, с.35-54.

70. Owen I. Paramagnetic resonance measurements of exchange interactions. J.Appl.Phys., Suppl., 1961, v.32, Ho1, p.213S-217S.

71. Гарифуллина Р.Л., Степанов В.Г. Обменно-связанные пары ионов Мп^ в CaF2 и М2 • ФТТ, 1973, т.15 , В 7, с.2169-2172.109» Baker J.M. Interactions between ions with orbital angular momentum in insulators, Rep.Progr.Phys., 1971, v.34, No2, p.109-173.

72. КиттельЧ. Введение в физику твердого тела. М.: Физматгиз, 1963.2+

73. Harris E.A. EPR of Mn pairs in MgO and CaO. J.Phys. С, 1972, v.5, ИоЗ, p.338-352.

74. Owen I., Brown M.R., Coles A., Stevenson P.W.H. Paramagnetic2+resonance from pairs of Mn ions in Mn,Zn,P2* ~ J »Phys. Soc.Jpn., 1962, v.17S, B-1, p.428-432.

75. Polen, Krebs J.J. EPR determination of nearest neighbour ex2+change constant for Mn pairs in KZnP-э» J.Appl.Phys.,1969, v.40, No3, p.1137-1139.

76. Гарифуллина P. Л., Зарипов M.M., Степанов В.Г. Обменно-свя-занные пары ионов Мп^" в NaCf. . ФТТ, 1972, т.14, Ж2, с.3513-3516.

77. Гарифуллина Р.А., Зарипов М.М., Степанов В.Г. Обменно-свя-занные пары ионов Мп^" в Watt . -ФТТ, 1974, т.16, Ш,с.457-461.

78. Петраковская Э.А., Величко В.В., Крышн И.М., Лукин С.Н., Безносжов Б.В. Взаимодействие между соседними ионами Мп^" в CbCd С£ j . в кн.: Резонансные и магнитные свойства маг-нитодаэлектриков. Сб.статей, Красноярск, 1978, с. 155163.

79. Heming М., Lehmann G., Mosebach Н., Siegel Е. EPR investi2+gations on exchange coupled Mn pairs in (CHy^KCdCl^. -Solid State Comm., 1982, v.44, Ho4, p.543-546.

80. Rodball D«S«, Jacobs I.S., Owen J., Harris S.A. Bequadratic exchange and behavior of some antiferromagnetic sublattices. Phys.Rev.Lett., 19.63, v. 11, Uo1, p. 10-11.

81. Петраковская Э.А., Величко В.В. Обменное взаимодействие в ТЖм С13. В кн.: Радиоспектроскопия твердого тела. Сб.статей, Красноярск, 1974, с.137-141.

82. Lagendijk A. Hagic angle linewidth in one-dimensional Heisenberg magnet with singlw-ion anisotropy in the high-temperature limit. Physica, 1976, V.83B, No3, p.283-287.

83. Richards P.M. Electron-spin resonance in the impurity-doped Heisenberg linear chain (CH^J^HUnCl^i.Cu. Phys.Rev., 1974, v.B10, Ho1, p.805-813.

84. Benner H. Experimental evidence for spin diffusion in the quasi-two-dimensional Heisenberg paramagnetic (OgH^MI^^

85. Kawasaki K. Anomalous spin relaxation near the magnetic transition. Progr.Theor.Phys., 1968, v.39, Ho2, p.285-311.

86. Ficher M.E., Burford R.I. Theory of critical-point scattering and correlations. I.Ising model. Phys.Rev., 1967, v.156, Ho2, p.583-622.

87. Richards P.M. Critical exponents for KMR and ESR linewidths in two-dimensional antiferromagnet. Solid State Comm., 1973, v.13, Ho3, p.253-256.

88. De Wijn W.H., Walker L.R., Davis I.L., Gugenheim H.I. Temperature dependence of the EPR linewidth in K2MhF^ and RbgMnF^. Solid State Comm., 1972, v. 11, Жоб, p.803-805.

89. Arts A.P.M., Van der Vlist H., Van Miltenburg I.G.M., Van Uijen C.M.I., de Wijn H.W. Critical EPR linewidth in Fe-doped KgMnP^. J.Magn. and Magn.Mater., 1983, v.31-34, Ho3, p.1181-1182.

90. Barteris D., Hagen H., Waldner P. Arend H. Electron spin2+resonance of Mn single clusters and layers in the compounds NH^-CCHgJg-HH^ MnxCdi-xG14* " Rapport de la session d'automme de la Socieve Suisse de Physique, 1979» v.52, Uo1, p.14-17.

91. Аццерс А.Г., Волоцкий С.В. Электронный парамагнитный резонанс в низкомерных антиферромагнетиках СьНпЩЩО и

92. ВаМпРц . ФНТ, 1982, т.8, №9, с.963-976.

93. Waldner P. Two-dimensional soliton contribution to the ESR linewidth in layered antiferromagnets. J.Magn. and Magn. Mater., 1983, v.31-34, part III, p.1203-1204.

94. Mukeska H.I. Uon-linear dynamics of classical one-dimensional antiferromagnets. J.Phys.C., 1980, Uo15, p.2913-2924.

95. Petrakovskii G.A., Yemelyanova L.S., Yelichko V.V. Critical linebroadening of the EPR in the two-dimensional antiferromagnet crystals. RbgMnCl^ and RbgMnQ^gCdQ^gClij.« Solid State Comm., 1983, v.48, Ho8, p.647-651.

96. Petrakovskii G.A., Yemelyanova L.S., Petrakovskaya E.A.2+

97. Paramagnetic resonance and dynamics of Mn ions in layered crystals. In: Proc. of the 1-st Sov.-Indian Symp. on actual problems of magnetic resonance spectroscopy of inorganic materials. Dushanbe, 1982, p.29-30.

98. Петраковский Г.А., Емельянова Я.С., Коков И.Т., Бондарен-ко Г.В., Баранов A.B. Электронный парамагнитный резонанс и спиновая динамика диамагнитно-разбавленных кристаллов Rb2MnxCd.j.xC?4 . ЖЭТ£, 1982, т.83, Я6, с.2176-2185.

99. Емельянова 1.С., Петраковская Э.А., Коков И. Т. Электронный парамагнитный резонанс ионов Мп2* в ß2Ш1Ч . В кн.: Магнитные, элект|мческие и резонансные свойства магнито-диэлектриков. Сб.статей, Красноярск, 1982, с.64-70.

100. Емельянова 1.С., Петраковская Э.А., Степанов В.Г. Электронный парамагнитный резонанс и спиновая динамика в слоистых кристаллах AgMhClq . В кн.: Ядерная магнитная релаксация и динамика спиновых систем. Сб.статей, Красноярск, 1982, с.85-100.

101. Емельянова Л.С., Петраковская Э.А., !|имов В.Н., Степанов В. Г. ЭПР изолированных ионов и обменно-связанных пар ионов т2* в Сб2СсИ6ч и Rb2CdCI!«/. $ТТ, 1984, т.26, J86, с. 18441846.

102. Петраковский Г.А., Емельянова Л.С., Поздняков В.Г., Королев В.К. Антиферромагнитный резонанс низкомерных антиферромагнетиков RbgMn^Cd^Ctij. ФТТ, 1984, т.26, М, с.1200-1202.

103. Емельянова Л.С., Петраковская Э.А., Петров С.Б., Ефимов В.Н. Степанов В.Г. Исследование сверхобменных взаимодействий Mn^-Cl -Мп2* методом ЭДР. Тезисы докл.Всесоюзной конференции по магнитному резонансу в конденсированных средах. Казань, 1984, с.76.

104. Емельянова Л.С. Изучение методом ЭПР низкотемпературной спиновой динамики квазидвумерных диамагнитно-разбавленных антиферромагнетиков. Препринт £ 281Ф, ИФ СО АН СССР, Красноярск, 1984.

105. Петраковский Г.А., Емельянова Л.С. Изменение спиновой динамики при протекании в квазидвумерных антиферромагнетиках Rb2MnxCd{-xC£i< . Тезисы докл. Всес. симп. "Неоднородные электронные состояния", Новосибирск, 1984, с,38-39.

106. Петраковский Г.А., Емельянова Л.С., Аплеенин С.С., Федосеева Н.В. Магнитное состояние, фазовые перехода и спиновая динамика в квазидвумерных антиферромагнетиках ^МИд-Сс^С^. -Тез. П Меядунар.конф. по физике магн.матер., Польша, 1984,106

107. Емельянова Л.С., Чирва Л.А. Экспериментальное исследование спиновой диффузии в двумерных антиферромагнетиках R^Mn^Cclf-x^ Ч * Известия вузов. Физика, 1984