Статика и линейная динамика магнитной системы сильноанизотропных ферримагнитных диэлектриков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

российский научный центр «Курчатовский институт»

На правах рукописи УДК 537.622.6 537.611.44 537.611.46

ЛАГУТИН Александр Сергеевич

СТАТИКА И ЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ СИЛЬНОАНИЗОТРОПНЫХ ФЕРРИМАГНИТНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

01.04.10 — физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва—1993

Работа выполнена в Институте молекулярной физики Российского научного центра "Курчатовский Институт"

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Звездин Анатолий Константинович доктор физико-математических наук Писарев Роман Васильевич доктор физико-математических наук Пономарев Борис Константинович

ведущая организация: Московский государственный университет им.М.ВЛомоносова, г. Москва

Защита состоится

г. в 15 часов на

заседании Специализированного Совета Д.034.04.04 при РНЦ "Курчатовский Институт" по адресу: 123182, Москва, пл. Курчатова

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ

"Курчатовский Институт"

Автореферат разослан // *' г.

Ученый секретарь Специализированного Совета • А.В.Мерзлаков

Технический редактор С.К. Сведлова

Подписано в печать 25.10.93. Формат 60x84/16 Уч.-изд. л. 2,5 Заказ 133. Тираж 71.

Отпечатано в РНЦ "Курчатовский институт"

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Редкоземельные ферриты-гранаты (РЗФГ) представляют собой один из наиболее популярных классов магнитоупо-рядоченных диэлектриков, которые интенсивно изучаются как в экспериментах, так и теоретически на протяжении последних двух десятилетий. Подобный интерес, с одной стороны, обусловлен их использованием в промышленности в качестве материалов в лазерной, вычислительной и радиотехнике, магнитоакустике и микроэлектронике благодаря огромному разнообразию магнитных, магн что упругих, резонансных, оптических и магнитооптических свойств [1,2 ]. Сдругой стороны, теоретическое описание РЗФГ требует подчас существенного изменения традиционных подходов из-за отсутствия подходящих малых параметров. Редкоземельные (РЗ) ионы в кристаллах представляют собой сложные многочастичные объекты, расчеты свойств которых из первых принципов пока еще не разработаны, в силу чего при теоретическом рассмотрении используются так называемые "полуфеноменологические" подходы, при этом гамильтониан задачи конструируется исходя из свойств локальной симметрии окружения магнитоактивных ионов. Такие методы позволяют избежать появления дополнительных феноменологических параметров, которые неизбежно сопутствуют, например, методу спин-гамильтониана и дают возможность решать проблемы, имеющие фундаментальное значение для физики твердого тела. Это выяснение механизмов индуцированных магнитным полем фазовых превращений, природы магнитной анизотропии и анализ динамики магнитной подсистемы кристалла, что имеет непосредственное отношение к данной работе.

К настоящему времени имеется огромное число исследовании физических свойств материалов при различных температурах и несравненно меньше - при высоких магнитных полях, несмотря на то, что эффективность воздействия последнего на вещество едва ли менее значима. Наибольшее магнитное поле, полученное в лабораторных условиях,

ничтожно по сравнению с имеющимися в природе. Однако использование даже этого достигнутого уровня уже дало вполне ощутимые результаты: превращение металлов и полупроводников в диэлектрики, замена "горячей" сварки "холодной" в импульсном поле, создание высокоэнер-гетичных постоянных магнитов прессованием порошков в магнитном поле и т.п. Все это указывает на то, что многие традиционные материалы могут быть заменены новыми, полученными в присутствии сильного магнитного поля, а также на то, что очень интересные и перспективные научные результаты могут быть получены лишь в магнитных полях большой величины.

Таким образом, с самой общей точки зрения: относительная малочисленность работ в явно перспективной области знания, настоящая работа актуальна.

К началу данной работы подавляющее число экспериментальных результатов по изучению индуцированных магнитным полем фазовым превращений в ферримагнитных диэлектриках охватывало диапазон полей до 20 Тл. Однако для целого ряда из них невозможно восстановить фазовые диаграммы на плоскости "поле-концентрация" даже в этом дипазоне полей. Практически не было изучено поведение магнитной структуры смешанных РЗФГ, т.е. ферритов-гранатов с частичным замещением редкой земли на иттрий, в более сильных полях.

Линейная динамика многоподрешеточной магнитной системы РЗФГ в полях, превышающих несколько Тесла, была практически не изучена ни экспериментально, ни теоретически. Более или менее можно считать исследованной только одну из восьми ветвей колебаний этой системы: ферромагнитный резонанс. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, значительной шириной и малой интенсивностью линий поглощения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн электромагнитного излучения, куда должны попадать резонансные частоты в полях, превышающих 10 Тл [3 ]. Во-вторых, это сложность проведения исследований магнитного резонанса в импульсных

полях, превосходящих 25 Тл в силу наличия значительных механических и электромагнитных помех на измерительный тракт.

Цель работы настоящей работы заключается в исследовании вли-. яния сильного магнитного поля на электронные состояния РЗ ионов в ферримагнитных диэлектриках с большой анизотропией и разработке на этой основе гипотез о процессах, индуцируемых в них под воздействием магнитного поля.

Для решения поставленной проблемы были проведены экспериментальные исследования статических магнитных (намагниченность, дифференциальная магнитная восприимчивость) и динамических (магнитный резонанс) свойств монокристаллов смешанных ферритов-гранатов ТЬхУ3.хЕе5012 и НохУ3_хРе5012 при низких температурах и наложении квазистационарного магнитного поля амплитудой до 50 Тл. В приближении анизотропного молекулярного поля построена микроскопическая модель для описания свойств статических характеристик РЗФГ, которая учитывает изменения в спектре РЗ иона, индуцированные магнитным полем, сравнимым по величине или даже превосходящим эффективное поле обменного взаимодействия между редкоземельной и железной магнитными подсистемами кристаллов.

В ходе работы решались следующие задачи:

- разработка методики оптимизации конструкции и технологии изготовления импульсных соленоидов, предназначенных для многократной генерации квазистатических магнитных полей 55-60 Тл;

- измерение намагниченности и дифференциальной магнитной восприимчивости тербий-итттриевых ферритов-гранатов в импульсных магнитных полях до 50 Тл при гелиевой температуре;

- получение достоверных экспериментальных данных о характере поглощении СВЧ излучения в тербий-иттриевых и гольмий-иттриевых ферритов-гранатов в полях, сравнимых по величине с эффективными полями обменного взаимодействия между редкоземельными и железными^рйамйтга^х кристаллах;

- исследования эволюции линий поглощения в СВЧ-диапазоне с ростом частоты зондирующего излучения в условиях наложения сильного внешнего магнитного поля;

- получение и анализ как статических, так и динамических магнитных фазовых диаграмм РЗФГ на плоскостях "поле-температура" и "поле- концентрация" для различных ориентаций внешнего магнитного поля относительно кристаллографических направлений;

- разработка теоретической модели для расчета статических магнитных характеристик РЗФГ при произвольном соотношении между величинами внутренних эффективных полей и внешнего магнитного поля;

- изучение трансформации магнитной структуры РЗФГ в полях >100 Тл.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1. Изучено поведение намагниченности и дифференциальной магнитной восприимчивости в кристаллах системы ТЬхУ3_хРс5012 (х<0.5) при разных ориентациях внешнего магнитного поля, амплитуда которого достигала 50 Тл. На основании данных магнитных измерений установлено существование в ТЬх¥з_хРе5012 нового явления: индуцированного полем перехода из слабо- в сильноанизотропное состояние.

2. Восстановлены магнитные фазовые диаграммы ТЬхУ3_хРе5012 на плоскостях "поле - концентрация" и определена величина эффективного поля обменного взаимодействия редкоземельной и железной подсистем этих кристаллов (Н^).

3. Предложена модель резонансных явлений в РЗФГ при индуцированном магнитным полем пересечении уровней РЗ иона.

4. Получено прямое доказательство наличия инверсии основного состояния иона ТЬ34 в ТЬхУ3.хРе5012 при В - 6 - 15 Тл и Т - 4.2 К.

5. Впервые обнаружено и подробно изучено резонансное поглощение СВЧ излучения в ферримагнитных диэлектриках в палях, сравни-

мых и превышающих поля Выяснена природа мягких мод магнитного резонанса, наблюдавшихся в таких условиях.

6. Получены экспериментальные доказательства существования в HoxY3.xFe5Oi2 нового для магнитоупорядоченных соединений явления: магнитного аналога динамического эффекта Яна-Теллера.

7. Впервые изучены динамические магнитные фазовые диаграммы многоподрешеточного сильноанизотропного магнетика HoxY3_xFe50i2 (х<0.5) на плоскости "поле - температура" и выяснена их связь со статическими фазовыми диаграммами этих кристаллов.

8. Исследованы ориентационные зависимости полей магнитного резонанса в HoxY3.xFe5012 и показана недостаточность изинговского приближения для описания свойств иона гольмия в данных РЗФГ.

9. Сформирована система уравнений приближения анизотропного молекулярного поля для случая многоподрешеточного магнитодиэлект-рика с произвольным соотношением между величинами эффективных полей анизотропии и обмена.

10. Проведены расчеты полевых зависимостей спектров ионов ТЬ и намагниченностей всех подрешеток для монокристаллов TbxY3.xFe5012 в сильных магнитных полях при разных его ориентациях относительно кристаллографических осей.

11. Исследован эффект Фарадея в Но0 7Y2.3Fe50j 2 в полях до 350 Тл и получено доказательство расслоения при Н > 50 Тл исходной конусной РЗ магнитной структуры на два конуса, практически недефор-мирующиеся в более сильных полях.

Научная и практическая ценность. Полученные в диссертации экспериментальные и теоретические результаты существенно расширяют физические представления об индуцированных магнитным полем фазовых превращениях в ферримагнитных диэлектриках и величинах эффективных полей анизотропных и обменных взаимодействий. Такая информация важна как для построения адекватных эксперименту тео-

ретических моделей, так и для оценки перспектив технического применения таких материалов.

Создана экспериментальная установка для проведения исследований как статических, так и динамических магнитных характеристик твердых тел в квазистатических магнитных полях амплитудой до 55 Тл.

В работе проведено систематическое исследование магнитного резонанса в многоподрешеточных магнитодиэлектриках в полях, достигающих и превосходящих эффективное поле межподрешеточного обменного взаимодействия.

Обнаруженный в РЗФГ магнитный аналог динамического эффекта Яна-Теллера является общим для всех многоподрешеточных магнетиков, содержащих магнитоактивные ионы, основное состояние которых становится вырожденным под воздействием магнитного поля. Сравнительно невысокие (3-5 Тл)поля, при которых в РЗФГ уже наблюдаются мягкие моды магнитного резонанса, обусловленные этим эффектом, указывают на хорошие перспективы его технических применений.

Апробация работы, Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на 15-ти международных и всесоюзных конференциях:

- 1-ой международной по магнетизму в сильных полях, Осака- 1982 (Япония);

- 15-ой всесоюзной по физике магнитных явлений, Тула-1.983;

- 2-ой международной по физике магнитных материалов, Ядви-шин-1984 (ПНР);

- 4-ой международной по генерации мегагауссных полей и родственным явлениям, Санта-Фе (США), 1986;

- 18-ой всесоюзной по физике магнитных явлений, Калинин-1988;

- 2-ой международной по магнетизму в сильных полях, Лувен- 1988 (Бельгия);

- 20-ой международной по магнетизму, Париж-1988 (Франция);

- 5-ой международной по генерации мегагауссных полей и родственным явлениям, Новосибирск-1989;

- 25-ой международной по магнитным фазовым переходам, Осака-1990 (Япония);

- 19-ой всесоюзной по физике магнитных явлений, Ташкент-

1991;

- всесоюзном совещании по магнетизму, Алушта-1991;

- 3-ей международной по магнетизму в сильных полях, Амстер-дам-1991 (Голландия);

- 6-ой международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным явлениям, Альбукерке-1992 (США);

- международном совещании по физике в сильных магнитных полях и родственным технологиям, Тулуза-1993, (Франция);

- 4-ой международной по магнетизму в сильных полях, Токио-1993 (Япония).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 печатных работ. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Структуру и объем диссертации. Диссертация состоит из введения; трех частей, содержащих соответственно три, три и две главы; заключения, приложения и списка цитированной литературы. Она содержит 285 страниц, 104 рисунка, 11 таблиц. Список цитированной литературы состоит из 219 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность направления исследований, сформулированы их задачи и приведен краткий анализ содержания диссертации.

В первой части работы описаны экспериментальная установка и методики измерений , использованные в квазистатических (с длительности импульса порядка 10 мс) и быстро нарастающих полях (от нуля до максимума менее чем 100 мкс).

Первая глава диссертации посвящена обзору методов получения сильных импульсных магнитных полей (СИ МП) и описанию основных параметров реализованных экспериментальных установок. Рассмотрены эффекты, сопутствующие генерации СИМП, и определено место, занимаемое данной работой среди других.

Во второй главе изложен выработанный автором подход к решению задачи о получении квазистациоиарного магнитного поля с амплитудой 55-60 Тл [1 д,3д ]. В основе метода многократной генерации^толь сильных полей без разрушения импульсного соленоида лежит принцип динамического удержания: длительность импульса поля выбирается в зависимости от его амплитуды такой, чтобы материал обмотки не претерпел за это время значительной деформации [4 ]. Однако неизбежные остаточные деформации накапливаются от импульса к импульсу, поэтому соленоиды, генерирующие поля в диапазоне Вщц от 40 до 100 Тл, имеют конечный ресурс допустимое число импульсов максимальной амплитуды составляет от тысяч до десятков соответственно. Поэтому первый раздел посвящен анализу принципа динамического удержания магнитного поля, сформулированы границы его применимости и описаны существующие альтернативы.

Во втором разделе подробно изложен отособ решения многопараметрической задачи по оптимизации конструкции импульсного соленоида. Выбор оптимального варианта соленоида осуществлялся с помощью специально разработанной на языке Турбо Паскаль компьютерной программы "Оптимум", текст основного модуля которой приведен в Приложении. Параметрами программы являлись прочности материалов проводника и изолятора; коэффициент анизотропии обмотки, учитывающий наличие границ, разделяющих проводник и межвитковую изоля-

цию; габариты соленоида, емкость и напряжение конденсаторной батареи; электросопротивление и теплоемкость проводника. Основной модуль состоял, в свою очередь, из отдельных блоков, предназначенных для расчета распределения поля в соленоиде; изменения температуры обмотки в процессе генерации поля и распределения тангенциальных и радиальных механических напряжений в соленоиде.

Распределение поля. Вычисление составляющих напряженности магнитного поля (аксиальной и радиальной), знание которых необходимо для расчета механических напряжений в обмотке, проводилось с помощью коэффициента взаимной индукции М тонких токовых слоев [5 ]. Полная напряженность магнитного поля в произвольной точке цилиндрической обмотки соленоида находится суммированием напряжен-ностей, создаваемых отдельными тонкими слоями. В нашем случае их число варьировалось от 20 до 100.

Учет нахре8а обмотки. Д ля нахождения тока 0) в ЬСК-щата, типичней для импульсных установок с емкостным накопителем при достаточно бситнпит (тоо> 10 с) длительностях импульса шля, решалась система уравнений:

^ = /2(ОЛ(Г)/А>Кс<Г), (2)

где и Я(Т) - температурно-независимая и температурно-зависнмая части сопротивления соленоида; Т - температура проводника; V и с(Т) -соответственно плотность, объем и удельная теплоемкость провод-' ника; Ь- индуктивность соленоида, С - емкость конденсаторной батареи. Солениоды, предназначенные для многократной генерации импульсов магнитного поля, не должны значительно изменять свою геометрию во . время импульса, поэтому его индуктивность принималась независящей от времени.

Механические напряжения в обмотке.Обмотка соленоида рас- -сматривалась как композитный материал, состоящий из чередующихся >;

проводящих и изолирующих волокон, равномерно распределенных по поперечному сечению катушки и скрепленных друг с другом клеем. Все плоскости, перпендикулярные направлению намотки, считались плоскостями изотропии. Это означает, что упругие и прочностные характеристики композита одинаковы для всех направлений, лежащих в этих плоскостях, однако они отличны от характеристик в направлении намотки, а их отношение называется коэффициентом анизотропии. Такая модель соответствует трансверсально-изотропному (транстропному) материалу [6,7]. В расчетах принято, что аксиальные напряжения в обмотке невелики и ими можно пренебречь посравнению стангенциаль-ными и радиальными напряжениями.

Система уравнений , описывающих распределение механических напряжений в центральном сечении (г«0) соленоида, имела вид:

ветственно, V - коэффициент Пуасша, В - магнитная индукция, Д-ток, г - расстояние от оси соленоида, К - коффидиент анизотропии обмотки.

В третьем разделе второй главы изложены технологические приемы, модификация которых позволила увеличить ресурс импульсного магнита в полях более 50 Тл. Это упрочнение обмотки, усиление наружного бандажа и использование более глубокого предварительного охлаждения соленоидов.

В четвертом разделе описаны конструкции соленоидов для получения полей с амплитудой 55-60 Тл при длительности импульса порядка 10 миллисекунд. Для намотки соленоида первого типа использовался изготавливаемый промышленностью композитный провод, состоящий из мно-

г2 d\

К dt2

Здесь <?t и сг, - тангенциальное и радиальное напряжения соот.

кества нитей ИЬТ1, размещенных в медной,матрице и имевший втрое большую, по сравнению с чисто медным проводом, прочность. Сечение »того провода 3.5x2 мм ; коэффициент заполнения медью - 70% ; число штей из N511 - 300 [ 1д ]. Рабочая температура равнялась 77 К. Изоляция фовода была сделана комбинированной. Нижний ее сдой получался намоткой всухую в одни слой (с 40 % -ным перекрытием) полиамидной плен-си толщиной 20 микрон. Верхний слой был образован редкой решеткой из гонкой (60 микрон) лавсановой нити, также без клея уложенной плотно юверх полиамидной пленки, предотвращающая одновременно ее раскру-швание.Наши исследования показали [4д ], что такая изоляция не только I несколько раз увеличивает ресурс импульсного магнита, но и позволяет 'величить максимальное паае, генерируемое в соленоиде, примерно на 10 [роценгов (до 55 Тл при длительности импульса около 10 миллисекунд). 1исло витков в обмотке соленоида равнялась 210, внутренний диаметр 5мм, поперечное сечение показано на рис.1.

Идея использования композитных материалов в качестве про-юднихов для обмотки многослойных соленоидов получила дальнейшее взвитие в работе [8 ], гае для изготовления импульсного магнита при-¡енен провод из несверхпроводящего микрокомнозитного материала :и * НЬ. Его электрические параметры не уступали, а прочность :очти вдвое превосходила прочность композита. Си + ИМЧ .

По инициативе автора с 1988г. начала осуществляться совместная рограмма ИАЭ и ВНЙИНМ По разработке отечественной технологии зготовления несверхпройодящих Cu-Nb михройомпозитов, обладающее высокой проводимостью (не менее 60-70% от проводимости меди акого же сечения). В результате был получен проводник сечением

л

.5x2.4 мм , предел текучести материала доходил до 1110 МПа при 300 а электропроводимость составляла 50% по сравнению с медным та-ого же сечения. Максимальное относительное удлинение было 1.5%. [ровод изолировался композитной (полиамид-лавсановой) изоляцией, атем по нзвестной технологии [2д1 был изготовлен соленоид второго

Рис. 1. Соленоид для многократной генерации полей до 55 Тл (т^ - 8.8 мс): 1 - изолятор, 2 - компаунд, 3 - обмотка, 4 -пластиковый бандаж, 5 -стеклотексто-литовый фланец, 6 - стягивающие болты

типа со Следующими параметрами: внутренний диаметр - 11 мм, наружный диаметр-41 мм, длина - 54 мм. Соленоид содержал 152 витка, размещенных в 8-ми слоях.

Соленоид разрушился при второй попытке получить поле с индукцией 60 Тл в результате разрыва проводника в области с сильной н еоднородностью его структуры. Часть из таких областей была выявлена еще на стадии наметки соленоида, другие проявились при нагрузках во время импульса. Стало очевидно, что необходимо дальнейшее совершенствование технологии изготовления проводника с целью получения высокой однородности по длине материала. Учитывая, что в раде лабораторий мира проводятся исследования с целью создания импульсных магнитов с полем 60 Тл при длительности импульса 100 мс и постоянных магнитов с индукцией 40-50 Тл [9], автор надеется, что начатое им дело будет продолжено.

В четвертом разделе второй главы приведена схема импульсной установки для генерации квазистатических магнитных полей до 55 Тл. Источником энергии служила конденсаторная батарея емкостью 14.4 ыф с максимальным напряжением 5 кВ. Батарея была составлена из двух секций по 48 конденсаторов ИМ-5-150 в каждой^ максимально запасаемая энергия 180 кДж. Коммутация батареи с соленоидом осуществлялась тиристорными ключами.

Третья глава посвящена описанию использованных экспериментальных методик, которое предваряется кратким, но необходимым изложением физических принципов, лежащих в их основе, а также интересных технических решений. В первом разделе главы изложены принцип работы и характеристики аналого-цифровых устройств как серийных, так и несерийных, использовавшихся для регистрации исследуемых сигналов. За счет этого точность измерений однократных импульсов напряжения, поступавших с датчиков разного типа, была не хуже0.4 %, а в лучших случаях достигала 0.01 %..Последнее уже вполне сопоставимо с точностью измерений, проводимых в условиях статических внешних полей.

Во втором разделе описана методика высокочувстительных индукционных датчиков для измерения намагниченности и дифференциальной магнитной восприимчивости. Чувствительность по

•1

магнитному моменту составляла 0.1 Гс*см , а по восприимчивости -

<с л о

1*10" для образцов с объемом порядка 10" см .

Схема СВЧ спектрометра отражательного типа, применявшегося для изучения магнитного резонанса в импульсных магнитных полях до 50 Тл, приведена в третьем разделе. Этот спектрометр позволял исследовать спектры поглощения в образце в диапазоне частот от 28 до 115 ГГц при температурах от 4.2 до 160 К. Для изучения угловых зависимостей резонансных полей спектрометр был снабжен механизмом вращения образца.

Конструкция взрывомагнитного генератора для получения полей амплитудой до 340 Тл со временем нарастания менее 100 мкс, применявшегося для изучения эффекта Фарадея в РЗФГ и методика магнитооптических экспериментов в присутствии сверхсильного магнитного поля описаны в четвертом разделе третьей главы.

Вторая чдсть работы посвящена изложению результатов экспериментальных исследований статических и динамических характеристик магнитной системы смешанных тербий-иттриевых и гольмий-

иттриевых ферритов-гранатов в сильных импульсных магнитных полях при низких температурах.

В четвертой главе описаны основные известные сведения об изучаемых соединениях, изложены результаты теоретико-группового анализа типов магнитного упорядочения редкоземельной подсистемы исследованных диэлектриков и сформулированы конкретные задачи, решаемые в экспериментальной части, работы.

Основные конфигурации свободных трехвалентных ионов тербия и гольмия есть и 4Г10 , а основные термы - 7Р6 и 518 соответственно. Кристаллическое поле РЗФГ с симметрией 02 расщепляет основные муль-

типлеты этих ионов на сннглеты, при этом пара самых нижних из них (как

3+ 1+

для ТЬ , так и для Но ) отделена от остальных достаточно сильно (Д Е = 100 см"1) [10]. Процессы перестройки магнитной структуры, индуцированные внешним магнитным полем в РЗФГ с такими РЗ ионами, приобретают качественно новые черты. Главная из них в том, что разворот магнитного момента каждой РЗ подрешетки является дискретным, потому что сильная анизотропия подавляет угловую фазу [11 ]. В таком случае в полях порядка Н^ должны наблюдаться резкие намагниченности, магнитострикции, эффекта Фарадея, причем их величина и количество зависят от ориентации внешнего магнитного поля относительно кристаллографических осей.

Такое поведение статических магнитных характеристик было обнаружено в гольмий-иттриевых ферритах-гранатах (ГИФГ) [12,13 ]. Оказалось, что они мотут быть описаны в рамках модели 2-изинговско-го упорядочения ионов гольмия в предположении, что локальные оси квантования РЗ магнитных моментов направлены вдоль направлений типа [ 100 ]. Это упорядочение соответствует одной из магнитных структур, преобразующихся по неприводимому представлению Т2в пространственной группы симметрии 1аЗб, осью легкого намагничивания является направление [111]. В [12,13] установлено, что все индуцированные полем магнитоструктурные превращения в ГИФГ обусловлены

инверсией состояния РЗ иона в одном из кристаллографически неэквивалентных мест.

Теоретико-групповой анализ, изложенный в четвертом разделе, показал, что формирование неколлинеарных структур является характерной особенностью РЗ магнитного упорядочения. Моды ферромагнитного типа реализуются в РЗФГтолько для представлений Tlg и T2g пространственной группы Ia3d. Все прочие представления описывают конфигурации РЗ магнитных моментов, обладащие нулевым суммарным моментом.

Резкие изменения намагниченности, магнитострикцин и эффекта Фарздея были найдены и в тербий -иттриевых гранатах [14,15]. Однако поля, в которых они имели место, были существенно меньше HogM, а следовательно, не связаны с перемагничиванием редкоземельного иона. Информация о статических свойствах кристаллов системы TbxY3_xFe50i2 (намагниченности, магнитострикции, эффекте Фара-дея) в полях порядка Нобм отсутствовала, а поэтому нельзя было сделать никаких выводов о пригодности изинговского приближения для иона тербия в РЗФГ.

Специфика спектров ионов тербия и гольмия должна была проявиться и в динамических свойствах РЗФГ. Так, характерной чертой ферромагнитного резонанса при низких температурах было наличие резких изменений резонансного поля при изменении ориентации внешнего поля относительно осей кристалла [16,17 ]. Поведение других мод колебаний магнитной системы РЗФГ исследовано очень слабо и лишь в небольших, по сравнению с обменным, полях [3 ].

В пятой главе представлены результаты измерения намагниченности и дифференциальной магнитной восприимчивости монокристаллов системы TbxY3.xFe50i2 при гелиевой температуре, а также описаны исследования магнитного резонанса при разных ориентациях поля относительно осей этих кристаллов.

В первом разделе описаны эксперименты по изучению намагниченности соединений с концентрацией тербия х=0.1; 0.26 и0.41 лриН// [100 ], [110]и[111]в шлях до 50 Тл. Уже первые исследования процесса намагничивания тербий-иттриевых ферритов-гранатов (далее - ТИФГ), показали, что этот процесс нетривиален и не может быть описан в рамках имевшихся представлений [5д ]. В ходе этой работы было установлено два важных обстоятельства. Первое - перемагничивание РЗ ионов происходит не путем двух фазовых переходов второго рода, как в слабоанизотропных ферритах-гранатах, а несколькими фазовыми переходами с резкими скачками намагниченности. Второе - величина Н^ .по-видимому, существенно выше, чем считалось ранее [11,18].

В слабых полях (В < 5 Тл) для всех составов легким оказалось направление [1001. Установлено, что при В = 2-3 Тл, где завершаются процессы смещения доменных границ и вращения намагниченности, для

каждой из концентраций тербия магнитные моменты РЗФГ одинаковы для всех направлений (рис.2). Это означает, что суммарный магнитный момент РЗ подсистемы "разворачивается" к направлению внешнего поля. Такое поведение типично для слабоанизотропных ферримашетиков [И ]. Показано, что расчетные значения магнитных моментов при Н=0, полученные в предположении, что моменты всех шести неэквивалентных

М.

^/ФОРМ-ЕД,

Рис. 2. Кривые намагничивания ТИФГ с х=0.26 для трех ориентации поля: 1 - Н// [100]; 2 - Н//[110 ]; 3 -Н//Ц11].

позиций иона тербия параллельны оси типа [100 ] и равны 8.5цв, хорошо совпадают с измеренными.

Измерения в полях В > 5 Тл показали [бд ], что процесс намагничивания сопровождается резкими аномалиями намагниченности ТИФГ (см. рис.2). Для всех составов в полях от 6 до 16 Тл имеют место скачки момента, величина которых изменяется линейно с концентрацией ионов тербия. Найдено, что полного перемагннчивания РЗ подсистемы з этом случае не происходит. При Н > 20 Тл обнаружено еще несколько скачков магнитного момента ТИФГ. Количество этих скачков и их величины зависели как от концентрации ионов тербия, так и от ориентации внешнего магнитного поля относительно кристаллографических осей , что характерно для изинговского магнетика [18 ]. Сравнение с намагниченностью чистого железо-иттриевого граната (пунктир на рис.2) показало, что при Н > 20 Тл уже происходит перемагничивание РЗ подсистемы, но моменты образцов далеки от величин, соответствующих полностью насыщенному состоянию ТИФГ с параллельной ориента-

Рис.З. Зависимости дифференциальной магнитной восприм-чивости монокристаллов ТЬхУ3_хРе5012 ПРИ Н// [100]: 1 - х-О.1; 2 - х-0.26; 3 - х-0.41.

40 30 20 10

0Л

0.4

В Та

' Было предположено, что

а

в некотором поле ТИФГ испытывает переход из слабо- в сильноанизотропное состояние. Анализ магнитных фазовых диаграмм ТИФГ, результаты которого изложены в следующем разделе, подтвердил эту гипотезу. Восстановить фазовые диаграммы У3.хТЬхРе5012 на плоскости "поле-концентрация" во всем диапазоне использованых полей и его ориентаций удалось, используя экспериментальные результаты по измерению дифференциальной магнитной восприимчивости (см. рис.3). Ее резкие аномалии в магнитном поле дали возможность достаточно точно определить поля магнитных фазовых переходов, чего нельзя было еде* лать, используя результаты измерений намагниченности.

Магнитные фазовые диаграммы исследованных образцов тербий-иттриевых ферритов-гранатов показаны на рис.4. Точками на них указаны поля, соответствующие максимумам дифференциальной магнитной восприимчивости. Рассмотрение этих диаграмм позволило сделать следующие заключения.

Рис.4. Поля магнитных фазовых переходов в ТЬхУз_хРе$012: аН// [100 ]; Ъ- Н// (110 Ь с- Н// [111 ].

1. Фазовые переходы в полях В > 20 Тл обусловлены процессами перемагничивания РЗ ионов, на что указывает стягивание Нпер в одну и ту же точку при уменьшении концентрации ионов тербия. Такой характер фазовых диаграмм имеет место как для слабо-, так и для сильноанизотропных магнетиков [11,18].

2. Точка, в которую сходятся линии таких фазовых переходов при понижении концентрации тербия до нуля, определяет величину эффективного поля обменного взаимодействия между РЗ и железной подсистемами ТИФГ. Оно равно 28.2 ± 0.5 Тл и существенно выше по величине, чем полученное в результате косвенных измерений-[19 ].

3. Фазовые превращения в полях Нкрит ° 3 -15 Тл связаны с переходом ТИФГ от слабо- к сильноанизотропному состоянию и обус-ловл ены пересечением уровней иона ТЬ в некоторых из кристаллографически неэквивалентных мест.

Сопоставление последнего вывода с результатами измерений намагниченности позволило заключить, что при этом исходная коллинеарная конфигурация РЗ магнитных моментов переходит в некомпланарную структуру [7д ].Расчеты в рамках микроскопической модели, которые приведены в главе 7, полностью подтвердили этот вывод.

Прямое подтверждение наличия при Н - Нкрит пересечения уровней РЗ иона в ТИФГ дало изучение не статических, а динамических свойств магнитной системы РЗФГ, а именно магнитного резонанса в сильных магнитных полях. Результаты таких исследований составляют содержание следующего раздела данной главы. Идея эксперимента состояла в следующей. Вблизи от точки пересечения уровней расстояние между ними невелико и, в первом приближении, линейно зависит от внешнего поля. Тоща энергии хванта СВЧ излучения будет достаточно, чтобы индуцировать переходы между основным и возбужденным состояниями. Поэтому с обейх сторон от поля магнитного фазового перехода Н|соит можно ожидать появления резонансного поглощения СВЧ излу-

чения причем с приближением к Нкрит частота резонанса должна стремиться к нулю.

Предсказанное поведение резонансных частот в магнитном поле было обнаружено для всех исследованных составов и при всех ориента-циях поля, что иллюстрируется рис.5 (в этом случае Н,^ - 7.5 Тл). Действительно, с уменьшением частоты зондирования резонансные поля сближаются линейно с уменьшением частоты и в какой-то момент линии поглощения уже невозможно разделить. Характерной чертой магнитного резонанса вблизи Нкрит оказалось, что поглощение обнаруживается на всех частотах ниже некоторой в одном и том же поле, что типично для колебаний типа "мягкая мода" [20 ].

Было найдено, что при Н> 20 Тл имеется резонансное поглощение СВЧ излучения, очень похожее на наблюдавшееся при Н«Нкрит (см. рис.5). Единственным отличием является отсутствие расщепления линий поглощения с ростом частоты. Значительное их уширение на высоких частотах

позволяет предположить, что такое расщепление будет наблюдаться, но только на более высоких ^ частотах. Установле- ^ но» что для всех исследованных составов и при всех ориентациях внешнего поля изменения СВЧ поглоще-ннявТИФГприН>20 Тл очень хорошо коррелируют с аномалиями магнитной

80

ио

• • • • • •

сл.

50

0 10 ' 20 /¿>он> Тл

Рис-5. Зависимости резонансных частот от магнитного поля в ТЬо^бУ^Ре^О^ при Н// [110 ] и Т-4.2 К.

восприимчивости (см. рис.3). В таких полях происходит перемагничивание редкоземельных ионов, которое всегда сопровождается изменением их основного состояния. Стала понятной общая природа магнитного резонанса при Нкрит и Н^: это поглощение СВЧ излучения вблизи точек пересечения уровней РЗ иона при вынужденных переходах между основным и ближайшим к нему возбужденным состоянием РЗ иона [9д ].

Наряду с описанными резонанса ми нового типа, в слабых полях наблюдалась еще одна ветвь резонанса, линейно зависящая от магнитного поля. Экстраполяция этой зависимости к нулевому полю дала нуль, что позволило интерпретировать такой резонанс как ферромагнитный, связанный с прецессией суммарного магнитного момента ТИФГ во внешнем поле. Этот вывод подтвержден соответствием наклона зависимости V (Я ) с данными по ФМР на более низких частотах [3 ].

В шестой главе описаны результаты исследования поглощения СВЧ излучения в монокристаллах системы НохУ3_хРе5012 в широком диапазоне частот (28 -110 ГГЦ) и магнитных полей (до 30 Тл) при температурах от 4.2 до 150 К. Первый раздел главы посвящен анализу магнитных фазовых переходов в этих кристаллах в модели изинговского упорядочения ионов гольмия. Показано, что для объяснения некоторых результатов измерений их статических магнитных свойств такое приближение некорректно. Одним из возможных выходов является учет смешивания волновых функций основного квазидублета с другими, расположенными на расстоянии порядка 100 см"1 . Наиболее ярко такой процесс должен проявиться в динамических характеристиках магнитной системы ГИФГ, результаты исследования которых описаны в последующих разделах этой главы. •

Во втором разделе изложены результаты изучения магнитного резонанса в Но02У28Ре5О12 при температурах 4.2 и 77 К в импульсных полях амплитудой до 18 Тл при Н//[111 ]. Было найдено [11д], что картина поглощения СВЧ излучения оказалась в ГИФГ во многом схожа с обнаруженной ранее в ТИФГ (рис.6). В слабых полях имеется линия

"С "?"■"' - -21

ФМР, а в полях порядка Нобм - 12.5 Тл обнаружены линии поглощения, центры которых точно соответствуют точкам магнитных фазовых переходов, в которых происходит перемагничивание РЗ ионов (три при Т=4.2 К, и одна при Т=77 К). Бо-16 в, тл лее того, при Т-4.2 К од-

Рис.6. Зависимости частот магнитного резонанса в монокристалле Ho02Y28Fe5O,2 при Н//[111]: треугольники - ФМР; залитые точки - обменные моды резонанса (линии типа А); незалитые точки - резонанс при инверсии основного состояния РЗ иона (линии типа Б).

на из них (Нр^ »15.2 Тл) с повышением частоты расщеплялась на две в полном соответствии с развитой моделью резонансных явлений при пересечении уровней РЗ иона в ТИФГ. Однако использовать эту модель для ГИФГ нельзя, поскольку в нулевом эффективном поле в этих соединениях расщепление основ-

а« 1

ного квазидублета Но за счет кристаллического поля (Д Е ш 5 см") больше, чем энергии квантов зондирующего излучения в наших экспериментах. Б силу этого ни о каких индуцированных СВЧ Квантом переходах внутри основного квазидублета речи быть не может.

В промежуточных полях (2< Н< 12 Тл) существуют еще две ветви резонансного поглощения, линейно зависящие от магнитного поля. Экстраполяция зависимостей V (Я ) , практически одинаковых при 4.2 и 77 К, к нулевому полю дала величину щели этих колебаний, равную 45

ГГц. Это обстоятельство в сочетании с занулением частоты одной из таких ветвей при Н - Н^, позволило заключить, что обнаруженные резонансы обусловлены возбуждением в кристалле обменных мод. Существование таких мод служит доказательством наличия наряду с продольной (изинговской) и поперечных (неизинговских) компонент магнитного момента РЗ иона.

Особенностью магнитного резонанса при 77 К было существование мягкой моды магнитного резонанса при Н - 5.5 Тл, не связанной с какими-либо изменениями магнитной структуры ГИФГ. Было предположено, что это явление связано с индуцированными переходами между возбужденными синглетами иона гольмия, заселенность которых при Т-77 К достаточно высока. Для проверки этой гипотезы и построения модели резонансных явлений в ГИФГ в полях порядка Н^ были проведены исследования мзгниткого резонанса на монокристаллах Ho0 4Y2.6Fe5Oi2 при тех же температурах, но в полях до 30 Тл, ориентированных вдоль осей [100]и [111 [кубическогокристалла [12д].Результатам этих исследований посвящен .третий раздел пятой главы.

В данном случае обнаружить линию ФМР оказалось невозможным, поскольку в образце возбуждалось множество размерных резонан-сов (залитые точки на рис.7). Устранить их путем уменьшения его размеров до величины, меньшей длины волны зондирующего излучения, оказалось невозможно, поскольку не хватало чувствительности для наблюдения ре-зонансов в больших полях, где поглощение было мало по сравнению с ФМР. Тем не менее надежно идентифицировались линии обменных мод резонанса (крестики на рис.7).. Увеличение их щели при Н - 0 с изменением концентрации ионов гольмия и ее изотропность подтвердили сделан. ный ранее вывод о природе таких резонансов.

Получено, что мягкие моды магнитного резонанса наблюдаются не только в полях порядка HggM (линии типа Б на рис.7), но и вдали от магнитных фазовых переходов (линии типа В на рис.7). Симметричное расположение последних относительно Н^-12.5 Тл говорит о том, что

100

во

во

,,,, о соооо о лф Жй^./ * 8 о0

40

20

ильуу *

К/• ^ V

»" пй 2

т*щ А

#

> с

о л о

ф ф

о о

& !

Л*'

в их формировании уча- ^ ^ ствуют ионы гольмия. Сделано предположение, что в таких магнитных полях имеет место размягчение, исходной жесткой РЗ магнитной структуры, сопровождающееся увеличением поперечных составляющих Мк, обусловленных взаимодействием основного

л I

квазидублета иона Но с вышележащими уровнями. При этом средняя величина проекции МРе на направление поля также уменьшается из-за увеличения амплитуды его колебаний, однако разница Мре и Мк остается неизменной. Другими словами, вдали от Н^ возникает динамическое кооперативное состояние магнитной системы РЗФГ, представляющее собой совокупность таких колебаний магнитных моментов РЗ и железа, при которых не изменяется тип магнитной структуры феррита-граната.

Экспериментальное подтверждение этой гипотезы получено при изучении магнитного резонанса в ГИФГпри Н// [ 111 ] и температурном диапазоне от 4.2 до 160 К, результаты которых изложены в следующем разделе. Были исследованы спектры поглощения и построены динамические фазовые Н^ -Т диаграммы для нескольких частот зондирующе-

0 5 10 15 20 25 в,т< Рис.7. Палевые зависимости резонансных частот в Но0 41У2^9ре5О12 при Н// [100 ]: залитые точки - размерные резонансы; крестики - обменные моды (линии типа А); незалитые точки -резонанс приинверсии состояния РЗ иона (линии типаБ);ромбы-резонанспри магнитном аналоге динамическою эффекта Яна-Теллера (линии типа В).

го излучения в диапазоне от 28 до 110 ГГц, одна из которых приведена на рис.8 [14д]. Статическая фазовая диаграмма, полученная в [12] по измерениям намагниченности, практически совпадает с одной из ветвей динамической диаграммы на рис.8 (черные кружки). Очень важно отметить, что иных ветвей на статической диаграмме нет. Существующие же ниже Тс- 25 К ветви связаны со скачкообразным перемагничиванием РЗ иона в одной из неэквивалентных позиций. Эти процессы обусловлены магнитным аналогом статического эффекта Яка-Теллера, возникающем из-за вырождения в РЗ подсистеме кристалла [21 ]. Такое вырождение снимается в процессе перемагничивания РЗ иона в одной или нескольких неэквивалентных позициях и сопровождается отклонением магнитного момента железной матрицы от исходного положения.

Анализ полученных динамических фазовых диаграмм проведен в предположении, что такие деформации магнит- g г ной структуры ГИФГ , в общем случае, не являются статическими, а представляют собой линейные комбинации локализованных спин-волновых мод, включающих в себя совместные движения момента РЗ иона и моментов железной Рис.8. Зависимости полей магнитного

матрицы. При этом чис- резонанса оттемпературыв Ho04|Y259Fe5Oj2 то электронное вырож- при Н//[111] на частоте 70.8 ГГц: залитые дение в РЗ подсистеме точки - линии типа Б; ромбы и залитые квад-кристалла сменяется раты-линии типа В; прочие значки-размер-вибронным для всей его ные резонансы. магнитной системы. Фи-

120 Т,К

зически вибронное вырождение описывает туннелирование системы между энергетическими минимумами, соответствующим деформациям в картине "одиночного" статического эффекта Яна-Теллера. О последнем имеет смысл говорить, когда частота туннелирования много меньше характерных частот задачи. Было установлено, что:

1. Магнитное поле вдали от Н^ индуцирует динамическое состояние в магнитной системе ГИФГ с критической температурой Т* = 120 К.

2. В формировании этого состояния наряду с основным квазидублетом участвует и первый возбужденный квазидуплет, расположенный на расстоянии Д Е = кТ* .

3. Динамическое состояние в ГИФГ есть проявление магнитного аналога динамического эффекта Яна-Теллера, впервые обнаруженного в магнитоупорядоченном кристалле.

4. Наличие мягких мод магнитного резонанса во всем диапазоне полей обусловлено возникновением вибронного вырождения в магнитной системе ГИФГ. Поглощение излучения является результатом туннелирования между вырожденными по энергии состояниями всего кристалла.

5. Отличие линий поглощения типа Б от линий типа В заключается в том, что в первом случае туннелирование происходит на частотах, значительно меньших частоты зондирующего излучения, а во втором -на существенно больших.

6. С ростом частоты зондирующего излучения наблюдается переход от динамического к статическому магнитному эффекту Яна-Теллера, проявляющийся в стягивании ветвей В к ветвям статической диаграммы (линии Б на рис.8).

Дополнительное доказательство необходимости учета возбужденных квазидублетов иона гольмия дали эксперименты по изучению ориентациоиной зависимости полей магнитных резонансов в ПРИ вращении внешнего поля в плоскости (110) [15д ].

Описанию таких экспериментов посвящен пятый раздел главы. Зондирующая частота выбрана специально низкой (40.5 ГГц), чтобы избежать дополнительного усложнения наблюдаемой картины резонанса, связанной с возникновением расщепления резонансных линий на более высоких частотах (см. рис.7). Статические #-© фазовые диаграммы (ромбы на рис.9) достаточно хорошо описываются в рамках модели чисто изинговского упорядочения ионов гольмия в ГИФГ [13].

Сравнивая данные статических и динамических экспериментов, можно утверждать, что для описания последних принципиально важным является учет нескольких возбужденных состо-

3+

яний иона Но . Примешиванием таких состояний к основному обусловлено возникновение динамического магнитного аналога эффекта Яна-Теллера, при котором имеется резонансное поглощение вдали от Н^ (незалитые точки на рис.9). Смешивание состояний иона гольмия ответственно и за реализацию существенно иной последовательности магнитных фаз, чем предсказывает изинговсхая модель, поскольку

Угол отклонен« поля, градусы

Рис.9. Фазовые Н^ -в и Нмаг-в диаграммы Но0 41У2.59Ре5О12 ПРИ вращении поля в плоскости (110): точки т резонансные поля; ромбы - поля фазовых переходов. Угол отсчитываетея от направления [100 ].

трансформация однозонтичной структуры РЗ магнитных моментов в двухзонтичную происходит в очень сильных магнитных полях (см. гл.8).

В третьей части диссертации представлены результаты теоретического и экспериментального изучения трансформации магнитной структуры РЗФГ в сверхсильных магнитных полях. В седьмой главе проведены расчеты спектров ионов и конфигураций магнитных моментов ионов тербия в ТИФГв полях до 40Тл. Изложению существа использованного подхода: приближения анизотропного молекулярного поля -посвящен первый раздел этой главы. С микроскопической точки зрения данная модель отлична от приближения молекулярного поля тем, что уровни квантовой системы становятся неэквидистантны, и соответствующие им волновые функции не характеризуются фиксированной величиной проекции магнитного момента. Это приводит к ряду отличий в поведении сильноанизотропной магнитной системы по сравнению с изотропным случаем:

- Изменяется величина температуры Кюри. Если в теории молекулярного поля Тс » ЫО + 1)/кТ, то за счет анизотропии Те может возрасти в несколько раз или понизиться до нуля.

- Величина магнитного момента становится функцией от направлений в кристалле и может происходить "замораживание" момента: отношение М/Мсвоб при Т-0 К может быть меньше единицы.

- Меняются температурные зависимости констант кристаллографической анизотропии и форма кривой спонтанной намагниченности.

Во втором разделе главы обоснован выбор гамильтониана и описана процедура численного моделирования. В расчетах использовался метод возмущения: исходные базисные функции представляли собой состояния свободного иона ТЬ . Оператор возмущения, учитывающий одновременно кристаллическое поле, зеемановское и обменное взаимодействие между РЗ и Ре, в расчете на одну формульную единицу был получен в виде [17д ]:

V = \2 {2 {B<,k&kOQk-gMB(Blmo[+Bl)J}-2MBBSo: l-l k,q

где В wi - молекулярное поле в l-той тербиевой подрешетке, В и В' -индукция внешнего поля в основной и локальной системах координат, <5 k - коэффициенты Стивенса, - эквивалентные операторы, J -оператор полного момента РЗ иона, S - спин иона Fe , Bqk- параметры кристаллического поля, ст = SFe / S.

Решение самосогласованной задачи распадается на несколько этапов. На первом производится диагонализация матрицы оператора V на базисных функциях 4х (S,L,J,M) свободного иона тербия. Второй этап расчета представляет собой нахождение ак (к- х,у,z) в процессе минимизации свободной энергии F(x,T). Минимум F(x,T) ищется прямым прослеживанием долины поверхности F ( а% , оу , сг,) путем перебора различных значений вектора а. Третий этап расчетов (на самом деле, он скорее второй) представлял собой подгонку затравочных параметров Bqlt , необходимых в дальнейшем для

I 4-

расчета ориентации вектора а, ^

л

путем сравнения теоретических 5Ц и экспериментальных зависи- 2 2 мостей намагниченности в полях порядка технического насыщения. Наконец, последний этап вычислений - расчет намагниченности хаждой редкоземельной подрешетки.

Спектры РЗ ионов в каждом из шести неэвивалентных положений в кристаллической решетке и их эволюция с рос-

В,Та

Рис. 10. Расчетные (точки) и экспериментальные (сплошные линии) кривые намагничивания ТЬмб^РеА* залитые точки -Н//[110]; незалитые - Н//Ц00].

сА'

1.0 о °0

-¡го -гво

-во -120 -160

о°°«о

О оВоо

1,г

оо2'

бвбО

о О ООо0 * 8 88?»

о °0

-120 -160

8 828;

6 оооо

том магнитного поля, А также трансформации конфигурации магнитных моментов ионов РЗ и Ре ДЯя ТИФГ разного состава и трех ориентации: внешнего магнитного поля приведены в Следующем разделе главы 7. Одна из расчетных кривых намагничивания ТЬхУз.хРе5012при Т*4.2 К показана на рис.10. Видно, что имеется хорошее совпадение между теорией и экспериментом. Небольшие расхождения между ними объясняются двумя причинами: в расчетах не учтен адиабатический характер намагничивания ТИФГ в импульсном поле, не принята во внимание и магнитострикция, приводящая к искажениям кислородного окружения РЗ ионов.

ЧисленИое моделирование [18д] показало, что в полях 6-15 Тл действительно Происходит трансформация исходной коллинеарной структуры магнитных моментов РЗ ионов в некомпланарную. Этот перехбЦ йбусловлен значительным сближением уровней иона ТЪ3* для некоторых кристаллог|>афиче-схи неэквивалентных позициях (рис. 11), что приводит к их значительному смешиванию и, в результате, изменению основного состояния РЗ иона. При этом меняется как ориентация суммарного магнитного момента РЗ подсистемы, так и магнитного момента железа, т.е. имеет место магнитный аналог статического эффекта Яна-Теллера. Установлено, что в более

-во -120 -160

о° * ;•*« «

в*

__1-, *

' йЬо 4

0 0

6 • • «•»* •

о ° о ООО •

4*

о ю го зо а,т»

Рис. 11. Зависимости энергий трех нижних уровней иона ТЬ5* в

ТЬо.гб^гл^^п ПРИ Н// [110]. Цифры 1-6 указывают номера РЗ подре-шеток.

сильных полях ситуация практически таодя же. Доказано, что отличие проявлений этого эффекта з ТИФГ от ГИФ Г заключается в том, что в первом случае в магнитном лрле вырожденными становятся сильно взаимодействующие между собой состояния, тогда как во втором - практически невзаимодействующие состояния трехвалентных РЗ ионов.

В восьмой главе представлены результаты экспериментального изучения процессов перестройки магнитной структуры ГИФГ в полях значительно больших обменного между редкоземельной и железной подсистемами кристалла. В первом разделе показана возможность использования измерений эффекта Фарадея (ЭФ) для решения данной задачи. Проанализированы основные вклады во вращение плоскости поляризации света в РЗФГ: парамагнитное вращение, пропорциональное намагниченности подрешеток; диамагнитный вклад, обусловленный расщеплением в эффективном поле уровней возбужденного мультиплета, на который происходит оптический переход и, наконец, смешивание волновых функций основного мультиплета с волновыми функциями возбужденного .мультиплета. Интерпретация экспериментальных результатов проводилась в предположении, что вращение, обусловленное железной подрешеткой, одинаково во всех гранатах и в точности равно ЭФ в чистом железо-иттриевом феррите-гранате.

Во втором разделе главы приведены результаты измерений эффекта Фарадея и коэффициента поглощения в монокристалле надлиневолны 1.151мкмвполяхдо350Тл, Н//[1111 (рис. 12), толщина образца равнялась 0.14 см. Интерпретация результатов проводилась в модели, учитывающей еще и резонансный вклад в ЭФ, обусловленный сдвигом уровней ионов Но34" в магнитном поле и прохождением одного из них через энергетическую полосу, соответствующую частоте излучения. На наличие такого механизма в ЭФ указывают результаты работы [24 ], где обнаружено значительное смещение полосы поглощения ГИФГ в магнитном поле. Анализ экспериментальных

показал наличие следующей последовательности магнитоструктурных превращений в ГИФГ.

Магнитная структура Но0.7У2.зРе5О12 в нулевом поле представи-ма как совокупность семи магнитных подрешеток: суммарной подрешетки ионов железа и шести

0

50 ЮО 150 200 250 300 В, Та Рис.12. Полевая зависимость фарад еевского вращения в монокристалле Но0.7¥гзРе5°12 при Н// [ 111 ]иТ-77К.

подрешеток ионов Но образующих "зонт". Он состоит из трех пар векторов, ориентированных при малых концентрациях гольмия приблизительно вдоль осей типа [ 100 ] в третьем октанте, тоща как момент ионов железа М(Ре) направлен вдоль оси [111 ] в первом октанте.

В поле В~3.5Тл происходит переориентация первой пары моментов Но3*, сопровождающаяся изменением знака проекции на ось квантования. Вторая пара моментов Но аналогичным образом переориентируется в поле 7.5Тл. Окончательный поворот зонтичной РЗ структуры к направлению внешнего поля и моментов Ре происходит при В - 19 Тл. В промежуточных полях намагниченность меняется слабо: происходит медленный поворот моментов железной подсистемы к направлению пола. Эти процессы проявляются в виде резких аномалий эффекта Фарадея. В этом же диапазоне паля сильно изменялась и прозрачность образца, но влияние этого эффекта удалось учесть благодаря тому, что в эксперименте одновременно измерялись и эффект Фарадея, и интенсивность прошедшего через образец света.При В-19Тл имеется два одинаковых конуса из моментов шести неэквивалентных РЗ подрешеток с углом отклонения от [111] равным 54.7град.

Установлено, что в полях, превышающих 50 Тл, одноконусная агнитная РЗ структура переходит в двухконусную, что подтверждает гзультаты численного моделирования [23 ]. При этом один из конусов 5разован моментами, отклоненными от оси [111 ] на угол 4 градуса, а эугой - 15 градусов, что также согласуется с расчетными данными, ыло найдено, что в мегагауссных полях вращение в ГИФГ очень мало, го может быть объяснено как результат компенсации диамагнитного и арамагнитного вкладов в фарадеевское вращение [20д].

В заключении сформулированы основные результаты и выводы *ссертации, которые выносятся на защиту:

1. Разработана методика оптимизации конструкции и технология зготовления многовитковых соленоидов с однородным распределением жа, предназначенных для многократной генерации квазистатических агнитных полей с амплитудой 55-60 Тл.

2. На основании результатов измерений намагниченности кри-•аллов ТЬхУз.хРе50 и доказано существование нового явления: итерированного магнитным полем перехода ферримагнитного диэлектрика i слабо- в сильноанизотропное состояние.

3. Восстановлены магнитные фазовые диаграммы тербий-иттрие-¿х ферритов-гранатов на плоскости "поле-концентрация" и определе-1 величина эффективного поля обменного взаимодействия между :дкоземельной и железной подсистемами кристаллов: Н^ - 28.2 Тл.

4. Обоснована модель резонансных явлений в РЗФГ, возникаю-дх при индуцированном магнитным полем пересечении уровней РЗ зна. Получено прямое экспериментальное доказательство существова-1я такого процесса в кристаллах ТЬхУз.хРе5012 в полях порядка ЮТл.

5. Впервые исследован магнитный резонанс в кристаллах ЬхУз.хРе50[2 в сильных магнитных полях при низких температурах, бнаружено, что в точках фазовых переходов существуют мягкие моды ггнитного резонанса. Установлено, что все эти явления связаны с ин-

версией состояния РЗ иона и могут быть описаны в рамках единой модели.

6. Впервые изучено поглощение СВЧ излучения в квазиизингов-ском магнитодиэлектрике НохУз.хРе5012 в полях, сравнимых и даже превышающих обменное между РЗ и железной подсистемами кристалла. Обнаружено несколько ветвей магнитного резонанса, часть из которых не связана со статическими магнитными фазовыми переходами. Показано, что частоты мод обменного резонанса линейно зависят от поля и вырождены при Н"-0, причем энергетическая щель для колебаний этого типа аномальна мала - около 50 ГГц.

7. Доказано существование в НохУз_хРе5012 динамического кооперативного состояния, индуцированного полем, которое возникает в результате магнитного аналога динамического эффекта Яна-Теллера. Это явление впервые обнаружено в магнитоупорядоченном кристалле.

8. Предложена модель для объяснения происхождения мягких мод магнитного резонанса как вблизи, так и вдали от полей магнитных фазовых переходов в кристаллах НохУ3_хРе5012. В его основе лежит гипотеза, что перестройка уровней РЗ иона, индуцированная полем, приводит к возникновению вибронного вырождения во всей магнитной системе кристалла.

9. На основе анализа динамических магнитных фазовых диаграмм кристаллов НохУ3.хРе5012 на плоскостях "поле-концентрация" и "поле-угол" установлено, что для теоретического описания свойств этих соединений необходим учет ближайшего к основному квазидублета в спектре нона гольмия. Другими словами, нужно перейти от изинговской модели упорядочения ионов Но , соответствующей эффективному спину 8эфф-1/2, к более сложной модели с Бэфф-,3/2.

10. В приближении анизотропного молекулярного поля проведено численное моделирование процессов намагничивания кристаллов ТЬхУ3.хРе5012 в сильных магнитных полях. Рассчитаны полевые зависимости энергетических уровней РЗ иона для всех его неэквивалентных

позиций в решетке кристалла,Показано, что найденные в экспериментах аномалии магнитных свойств гольмий-иттриевых и тербий-иттрие-вых ферритов-гранатов действительно обусловлены одним механизмом - вырождением уровней РЗ ионов под воздействием внешнего магнитного поля. Однако в первом случае вырожденными становятся невзаимодействующие состояния, тогда как во втором сближаются по энергии сильно взаимодействующие уровни РЗ иона.

11. На основании измерений эффекта Фарадея в монокристалле Но0 7Y2 3Fe50i2 в полях до 340 Тл установлено, чтоодноконусная магнитная структура магнитных моментов РЗ ионов в поле около 50 Тл переходит в двухконусную, которая практически не меняется вплоть до максимальных полей. Получена оценка "снизу" для эффективного поля магнитной анизотропии: Наниа > 340 Тл, что гораздо больше обменного Н^-12^5 Тл, приводящего к упорядочению в РЗ подсистеме.

Основные результаты, приведенные в диссертации, опубликованы в следующих работах:

1д. Ozhogin V.l., Gurtovoi K.G., LagutinA.S. Reliable Solenoidfor Long Pulses of Field and Magnetic Studies up to 50 T // in: High Field Magnetism / Ed. by M.Date, London, North-Holland, 1983, p.267-275.

2д. Лагутин A.C., Ожогин В.И. Сильные импульсные магнитные поля в экспериментальной физике твердого тела. М.: ЦНИИатомин-форм, 1984.

Зд. Лагутин A.C., Ожогин В.И. Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте. М.: Энёргоатомиздат, 1988.

4д. Лагутин A.C., Ожогин В.И., Дмитриев A.B. и др. Многовит-ковые импульсные соленоиды на 60-70 Тесла //5-ая международная конференция по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным явлениям /Тезисы докладов, Новосибирск, 1989, с.24.

5д. Лагутин А.С., Гуртовой К.Г. Изменения магнитной структуры феррита-граната тербия ТЬ0.2б^2.74^е5 в сильных магнитных полях //2-ая международная конференция по физике магнитных материалов, Ядвишин-1984 (Польша), тезисы докладов, с.212.

6д. Лагутин А.С., Дмитриев А.В. Индуцированный магнитным полем переход из слабо- в сильно анизотропное состояние в тербий-ит-триевых ферритах-гранатах /ФТТ, 1988, т.ЗО, в.10, с.2959-2966.

7д. Lagutin A.S., Dmitriev A.V. Ising State of Ferrimagnet induced by High Magnetic Fields //Jour, de Phys., 1988, Coll. C8, Suppl.12, Tome 49, p.977-978.

. 8д. Lagutin A.S. Magnetization of some rare earth and actinide compounds in high magnetic fields //Physica B, 1989, Vol.155, p.225-228.

9д. Лагутин A.C., Дмитриев А.В. Магнитный резонанс нового типа в кубическом сильноанизотропном ферримагнетике //ФТТ, 1990, т.32, N3, с.762-764.

10д. Lagutin A.S., Dmitriev A.V. Static and Dynamic properties of the high anisotropy ferrimagnets I. Experiment //Jour.Magnetism and Mag.Mat., 1990, Vol.90-91, p.83-84.

11 д. Лагутин A.C. Исследование резонансных свойств изиншвско-го ферримагнетика в сильных магнитных полях при низких температурах //ЖЭТФ, 1991, т.99, в.1, с.336-342.

12д. Лагутин А.С., Попов А.И. Резонансное поглощение СВЧ излучения в изинговских системах. Гольмий-иттриевые ферриты-гранаты //Письма в ЖЭТФ, 1991, т.54, в.2. с.90-93.

13д. Lagutin A.S. Magnetic Resonance Study of the Level Crossing for the Ising Ferrimagnet //Physica B, 1992, Vol.177, p.311-314.

14д. Лагутин A.C. Динамические магнитные фазовые диаграммы магнетика с большой анизотропией //ЖЭТФ, 1992, т.102, в.1 (7), с.262-269.

15д. Лагутин А.С. Эволюция спектров поглощения силыюани-зотропного ферримагнетика при изменении ориентации внешнего магнитного поля //Письма в ЖЭТФ, 1992, т.56, в.6, с.289-292.

16д. Lagutin A.S. Magnetic Resonance Stury in high pulsed magnetic Fields /Ргос. of the Int. Workshop on high field magnetism, Toulouse-1993 (France), p.9-18.

17д. Дружинина Р.Ф., Лагутин A.C. // Магнитный эффект Яна-Теллера и скачки намагниченности в TbxY3_xFe5012 / ФТТ, 1989, т.31, в.6, с.304-306.

18д. Лагутин А.С., Дружинина Р.Ф. Анализ магнитных свойств сильноанизотропных магнетиков: тербий-иттриевые ферриты-гранаты //ЖЭТФ, 1992, T.i02, в 6(12), с.1860-1871.

19д. Druzhinin V.V., Pavlovskii A.I., Platonov V.V., Tatsenko O.M. and Lagutin A.S. Faraday effect in an Ising ferrimagnet in megagauss fields //Physica B, 1992, Vol.177, p.315-317.

20д. Павловский А.И., Дружинин В.В., Лагутин. A.C. и др. Эффект Фарадея в изинговском магнетике в сверхсильном магнитном поле //ФТТ, 1992, т., в;. 12, с.3755-3758.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. К.П.Белов. Редкоземельные магнетики и их применение. М.: Наука, 1980.

2. ДД.Мишин. Магнитные материалы. М.: Высшая школа, 1990.

3. Гуревич А.Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках. М.: Наука, 1973.

4. Сильные и сверхсильные магнитные поля и их применение. Под ред. Ф.Херлаха./Пер. с англ. под ред.Н.Е.Алексеевского. М.:Мир, 1990.

5. Карасик В.Р. Физика и техника сильных магнитных полей. М.: Наука, 1964.

6. Кристенсен Р. Введение в механику композитов /Пер. с англ. под ред. Ю.М.Тарнопольского. М.: Мир, 1982.

7. Катрухин Ю.К., Дорошенко А.П. Прочность многослойных клееных обмоток // ПТЭ, 1985, Деп. ВИНИТИ, N64-85 ДЕП, 56 с.

8. Foner S. 68.4 Т long pulse magnet: Test of high strength microcomposite Cu/Nb conductor //Appl. Phys. Lettr., 1986, Vol.49, N15, p 982-983.

9. Challis LJ. A proposal for European large magnetic field facility // Proc. of the 3rd Intern. Symp. on research in high magnetic fields / ed. by F.R. de Boer, P.F. de Chatel, J J.V.France / Amsterdam, North-Holland, 1992, p.3-10.

10. Nekvasil V., Roskovec V., Zounova F. Application of the superposition model of the crystal field to the rare earth garnets // J.App.Phys., 1978, Vol.49., p.1471-1475.

11. Белов К.П., Звездин A.K., Кадомцева A.M., Левитин Р.З. Ориентационные переходы в редкоземельных магнетиках. М.: Наука, 1979.

12. Силантьев В.И., Попов А.И., Левитин Р.З., Звездин А.К. Ферримагнетики с изинговскими ионами. Магнитные свойства голь-мий-иттриевых ферритов-гранатов в сильных полях при низких температурах // ЖЭТФ, 1980, т.78, с.640-655.

13. Левитин Р.З., Силантьев В.И. Магнитные фазовые переходы в изинговских магнетиках. Н-Т-х диаграммы гольмий-иттриевых ферритов-гранатов // Изв. АН СССР, сер.физ., 1980, т.44, N7, с.1433-1440.

14. Демидов В.Г., Левитин Р.З. Аномалии намагниченности итт-рий-тербиевых и иттрий-гольмиевых ферритов-гранатов в сильных полях при низких температурах // ЖЭТФ, 1977, т.72, в.6, с.1111-JJ17.

15. Валиев У.В., Кринчик Г.С., Левитин Р.З., Мукимов К.М. Исс-

3+

ледование инверсии энергетических уровней иона ТЬ в феррите-гранате в сильных полях с помощью эффекта Фарадея // ЖЭТФ, 1979, г.29, N4, с.239-243.

16. Dillon J.F., Walker LR. Ferrimagnetic Resonanse in Rare Earth Yttrium Iron Garnet. II: Terbium Substitution // Phys.Rev.,1961,Vol.124, N5, p.1401-1413.

17. Petrakovskii G.A., Patrin G.S. Influence of photo-exited Ho"*" ions of ferromagnetic resonance in Y3Fe50|2 //Sol.St.Comm., 1983, Vol.48, N1, p.25-28.

18. .Звездин A.K., Матвеев B.M., Мухин A.A., Попов А.И. Редкоземельные ионы в магнитоупорядоченных кристаллах. М.: Наука, 1985.

19. Белов К.П. Ферриты в сильных магнитных полях. М.: Наука,

1972.

20. Волков АА, Гончаров Ю.Г., Козлов Г.В., Лебедев С.П. Динамические свойства кристаллов на частотах

10 -10 IW/Труды ИОФАН, 1990,

т.25, с.52-112.

21. Звездин А.К., Мухин А.А., Попов А.И. // Пересечение уровней и неустойчивость магнитной структуры в РЗФГ /ЖЭТФ, 1977, т.72, с.1097-1110.

22. Дружинин В.В., Запасский С.П., Повышев В.М. Ферромагнитные свойства редкоземельных металлов // ФТТ, 1975, т. 17, в.1, с.23-30.

23. Бабушкин Г.С., Дружинина Р.Ф., Шкарубский В.В. Микроскопический анализ гистерезиса скачков намагниченности HoxY3.xFe50i2 в сильном магнитном поле //ФТТ, 1984, т.26, в.8, с.2534-2536.

24. Валиев У.В., Кринчик Г.С., Левитин Р.З., Мукимов К.М. Изменение прозрачности феррита-граната гольмия на длине волны 1.15 мкм в сильном магнитном поле //ФТТ, 1980, т.22, в.7, с.2211-2113.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение ...................................................................................3

ЧАСТЬ I. СИЛЬНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ

В ФИЗИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ Глава 1. Магнитные поля в природе и лаборатории..................10

1.1 .Методы получения ........................................................II

1.2. Сопутствующие эффекты...............................................18

Глава 2. Генерация магнитных полей с помощью

неразрушающихся соленоидов......................................23

2.1. Динамическое удержание поля........................................23

2.2. Оптимизация соленоидов.................................................30

2.3. Увеличение ресурса.........................................................44

2.4. Импульсные магниты для полей 55-60 Тл........................48

2.5. Экспериментальная установка........................................57

2.6. Основные результаты......................................................61

Глава 3. Методики экспериментов.............................................62

3.1. Цифровая техника регистрации сигналов........................62

3.2. Измерения намагниченности и дифференциальной

магнитной восприимчивости..........................................67

3.3. Спектрометры миллиметрового диапазона......................76

3.4. Магнитооптика............................................ ..................81

ЧАСТЬ II. ИНДУЦИРОВАННАЯ ПОЛЕМ ПЕРЕСТРОЙКА

УРОВНЕЙ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ИОНОВ В ФЕРРИТАХ-ГРАНАТАХ Глава 4. Обзор основных свойств исследованных соединений ....88

4.1. Кристаллографическая структура...................................88

4.2. Внутрикристэлличеекие взаимодействия........................91

40 4.3. Спектры и особенности магнитных свойств......................94

4.4. Магнитные структуры редкоземельной подсистемы.......104

4.5. Цели экспериментов и образцы......................................119

Глава 5. Инверсия основного состояния иона тербия...............122

5.1. Кривые намагничивания................................................123

5.2. Фазовые диаграммы на плоскости "поле-концентрация".........................................................................137

5.3. Резонанс нового типа......................................................148

5.4. Основные результаты.....................................................162

Глава 6. Линейная динамика магнитной системы

НохУ3.хРе5012 ............................................164

6.1. Статические фазовые диаграммы..................................165

6.2. Резонанс в Но0 2У2 8Ре5012 ^..........................................168

6.3. Эволюция спектров поглощения при изменении частоты....................................................................................178

6.4. Динамические фазовые диаграммы...............................190

6.5. Ориентационные зависимости резонансных полей.......203

6.6. Основные результаты....................................................209

ЧАСТЬ II. МНОГОПОДРЕШЕТОЧНЫЙ МАГНЕТИК

В СВЕРХСИЛЬНОМ ПОЛЕ Глава 7. Расчет статических свойств........................................210

7.1. Приближение анизотропного молекулярного поля......210

7.2. Гамильтониан и алгоритм численного эксперимента.. .214

7.3. Намагниченность кристалла и спектры ионов тербия. ..221

7.4. Основные результаты...................................................235

Глава 8. Магнитная структура................................................236

8.1. Магнитооптика редкоземельных ферритов-гранатов.....236

8.2. Эффект Фарадея в Но0 7У2 3Ре5012...............................239 '

8.3. Основные результаты....................................................250

Заключение.............................................................................251

Приложение............................................................................255

Литература .............................................................................261