Структура доменных границ и спектр спиновых волн в четырехподрешеточном антиферромагнетике типа La2 CuO4 в магнитном поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Многоподрешеточные антиферромагнетики.

1.1.1 Общие сведения.

1.1.2 Доменная структура при ориентационных фазовых переходах

1.1.3 Магнитные фазовые переходы в Ьа2Си04.

1.2 Структура доменных границ и спиновые волны в антиферромагнетиках

1.2.1 Магнитная структура и доменные границы в Ьа2Си04.

1.2.2 Динамика межфазных границ.

1.2.3 Спектр спиновых волн в Ьа2Си04.

1.2.4 Спиновые волны на фоне доменных границ в Ьа2Си04.

В настоящее время широко исследуются как теоретически, так и экспериментально металлооксидные соединения [1-8], к которым относится антиферромагнитный Ьа2Си04. При некоторой вариации химического состава он проявляет свойства высокотемпературной сверхпроводимости, при изучении природы которой большое внимание уделяется их магнитным свойствам. По мнению некоторых авторов [9-13] магнетизм может являться главной причиной спаривания свободных носителей, что может привести и к пониманию природы ВТСП. В диэлектрической фазе между температурой перехода в сверхпроводящее состояние и температурой Нееля Тн « 300 К это соединение является четырехподрешеточным слабонеколлинеарным антиферромагнетиком [1]. Теория доменной структуры в антиферромагнетиках дана в работе [14]. Структура доменных стенок в антиферромагнетике Ьа2Си04 изучена теоретически в работах [15-16]. Найдены четыре типа доменных границ (ДГ), отличающиеся законом поворота спинов в различных подрешетках. В [16] определены условия устойчивости, в [17] - скорость дрейфа этих ДГ в осциллирующем магнитном поле. Остается открытым вопрос о влиянии магнитного поля на характеристики доменных границ.

В сильном магнитном поле, направленном перпендикулярно Си-О-плоскостям, происходит скос спинов из Си-О-плоскостей в направлении вектора напряженности поля и переход в состояние со слабым ферромагнетизмом [18, 1, 2]. Такого рода переход был обнаружен экспериментально [2], найдено поле фазового перехода. Как показывает симметрийный анализ [19], переход является магнитно-структурным фазовым переходом 1+2+х2~%~ —> 1+2+х2"ух+. Согласно данным по измерению электропроводности в возрастающем поле этот переход осуществляется в два этапа [20]. Причина такого поведения зависимости электропроводности от поля в рамках существующей теории фазового перехода первого рода остается не выясненной [20]. В нулевом и слабом магнитном поле, как известно [21], в стехиометрическом Ьа2Си04 ферромагнитный момент возникнуть не может. Однако в слаболегированных кислородом кристаллах было обнаружено существование слабого ферромагнетизма во внешних магнитных полях Я <50 Э [22]. При упорядочении примесного кислорода по определенным позициям в элементарной ячейке Ьа2Си04 возможно появление слабого ферромагнитного момента направленного перпендикулярно Си-О-плоскости и в нулевых полях, что было обнаружено экспериментально в работе [23-24].

Известно, что вблизи точки фазового перехода первого рода в магнито-упорядоченных кристаллах возможно промежуточное состояние и образование межфазных границ (МГ), которые являются термодинамически устойчивыми. При изменении внешнего магнитного поля условие равновесия фаз нарушается и МГ приходит в движение. Динамика таких границ в двухподре-шеточной модели антиферромагнетика, в том числе в ортоферритах, исследована в [25-28], найдены колебания и дрейф границы в переменном поле. Структура и динамические свойства межфазных границ в четырехподреше-точном Ьа2СиС>4 не рассматривались.

Доменная структура существенно влияет на многие статические и динамические свойства антиферромагнетиков. Изучение динамики доменных границ и спиновых волн является одной из важнейших проблем. Теория спиновых волн в антиферромагнетиках, содержащих отдельные домены, рассматривалась в [29-30]. Теория спиновых волн в двухподрешеточных антиферромагнетиках с доменной структурой изложены в [31]. В четырехподре-шеточном Ьа2Си04 спиновые волны рассматривались только в отсутствие внешнего поля [16].

Из сказанного выше следует актуальность исследования внешних воздействий, таких как магнитное поле, на характеристики доменных границ, на спин-переориентационные переходы в доменной стенке и на спектр спиновых волн в четырехподрешеточных антиферромагнетиках.

Целью диссертационной работы является теоретическое исследование влияния внешнего магнитного поля различного направления на характеристики доменных границ, на спин-переориентационные переходы в доменной стенке, на образование межфазной границы и на спектр спиновых волн в че-тырехподрешеточных антиферромагнетиках в случае чисто антиферромагнитного и слабоферромагнитного состояний. В том числе изучение стеноч-ного механизма зародышеобразования в магнитном поле, индуцирующем магнитно-структурный фазовый переход, а также определение особенностей кривой намагничивания при наличии двух типов зародышей и описание двухэтапности магнитно-структурного перехода /+2*2~т~ —>/+2*2~т+ в возрастающем магнитном поле.

Научная ценность работы состоит в том, что впервые проведено теоретическое исследование влияния постоянного магнитного поля на основное состояние доменных стенок, возможные в них спин-переориентационные фазовые переходы и спиновые волны в четырехподрешеточных антиферромагнетиках; впервые детально рассмотрены особенности стеночного механизма зародышеобразования и образования межфазной границы в области перехода из антиферромагнитного в слабоферромагнитное состояние.

Практическая ценность

1) определяется тем, что теоретические результаты позволяют описать экспериментальные факты, не получившие теоретического объяснения в рамках существующих представлений, например, двухэтапность перехода из антиферромагнитного в слабоферромагнитное состояние.

2) заключается еще в возможности управления магнитными, электрическими и другими свойствами антиферромагнетиков с помощью внешних воздействий, в частности внешним магнитным полем, что может быть использовано при конструировании устройств магнитной микроэлектроники.

Положения, выносимые на защиту :

1) Результаты теоретических исследований влияния внешнего магнитного поля на характеристики и условия устойчивости доменных стенок.

2) Стеночный механизм зародышеобразования в четырехподрешеточном антиферромагнетике типа Ьа2Си04 в магнитном поле, индуцирующем магнитно-структурный фазовый переход антиферромагнетик-слабый ферромагнетик.

3) Модель, объясняющая двухэтапность наблюдаемого перехода из антиферромагнитного в слабоферромагнитное состояние в магнитном поле. Двухэтапность перехода вызвана существованием двух типов устойчивых стенок с близкими энергиями и различными полями прорастания зародыша.

4) Влияние магнитного поля на динамику межфазной стенки, на спектр спиновых волн и на их прохождение через доменную стенку.

Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка литературы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведем основные результаты диссертационной работы.

1. Внешнее магнитное поле, приложенное параллельно Си-О- плоскости и перпендикулярно осям антиферромагнетизма, сильно влияет на характеристики доменных границ. При некоторой величине напряженности магнитного поля происходит перестройка структуры ДГ, которую можно рассматривать как своеобразный спин-переориентационный фазовый переход. Характер переходов может измениться вблизи поля, соответствующего четверной точке, в которой сходятся области устойчивости четырех типов доменных границ. С ростом внешнего магнитного поля области устойчивости одних типов ДГ сужаются, а других ДГ - расширяются.

2. В магнитном поле, перпендикулярном слоям Си-0 и равном полю фазового перехода первого рода, образуется граница, разделяющая антиферромагнитную и слабоферромагнитную фазы. В отличие от известных моделей межфазных стенок в двухподрешеточных антиферромагнетиках межфазная граница в четырехподрешеточном образуется поворотом только двух подрешеток, а две другие испытывают малое неоднородное отклонение. Разработан стеночный механизм образования зародыша новой фазы для данных типов магнетиков. А именно, в одной половине стенки имеет место поворот намагниченности первых двух подрешеток, а в другой половине стенки -двух других подрешеток, в центре стенки образуется зародыш новой фазы. Критические поля прорастания зародыша в случае доменных стенок ДГ-Е и ДГ-А оказываются различными, что приводит к своеобразной кривой намагничивания и наблюдаемой двухэтапности перехода из антиферромагнитного в слабоферромагнитное состояние.

3. Межфазная граница будет двигаться со скоростью, которая принимает максимальное значение в поле, соответствующем границе потери устойчивости антиферромагнитной фазы. Причем, характер приближения скорости межфазной границы к минимальной фазовой скорости спиновых волн оказывается сильно зависящим от соотношения между параметром затухания и полями межплоскостных взаимодействий и Дзялошинского.

4. Для каждого типа доменных границ спектр спиновых волн в Ьа2Си04 характеризуется четырьмя объемными и пятью локализованными ветвями. Частоты спиновых волн при наличии ДГ с поворотом векторов антиферромагнетизма в Си-О- плоскости имеют зависимость от внешнего магнитного поля. При наличии ДГ-1А одна из частот с ростом поля уменьшается и при некотором значении обращается в нуль, что говорит о потере устойчивости данной ДГ. Общее количество локализованных мод в четырехподрешеточ-ном АФМ может зависеть от параметров межплоскостных взаимодействий, а для ДГ-1А и ДГ-1Е, кроме этого, от внешнего магнитного поля. Рост поля приводит к уменьшению числа мод.

5. Внешнее магнитное поле может существенно влиять на прохождение через доменную стенку объемных спиновых волн с большой длиной. А именно, рост поля приводит к заметному отражению длинноволнового диапазона, в то время как волны с малой длиной испытывают полное прохождение. При наличии межфазной границы прохождение зависит от частоты падающей волны. Таким образом, внешним магнитным полем можно управлять прохождением объемных спиновых волн через доменную стенку четырех-подрешеточного антиферромагнетика, что может быть использовано при создании устройств спин-волновой микроэлектроники.

Выражаю благодарность своим научным руководителям за постоянную помощь и поддержку в работе.

1. Боровик-Романов A.C., Буздин А.И., Крейнес Н.М., Кротов С.С. Некол-линеарные магнитные структуры в антиферромагнитном La2Cu04 // Письма в ЖЭТФ. - 1988. - Т.47. - № 11. - С.600-603.

2. Petitgrand D., Maleyev S.V., Bourges Ph., Ivanov A.S. Pseudodipolar interaction and antiferromagnetism in R2Cu04 compounds (R=Pr, Nd, Sm, and Eu) // Phys. Rev. B. 1999. - V.59. N 2. - P. 1079-1104.

3. Hirayama Т., Nakagawa M., Sumiyama A., Oda Y. Thermal history dependence of superconducting properties in La2Cu04+g // J- Magn. and Magn. Mater. 1998. - V. 177-181. -P.521-522.

4. Hücker M., Pommer J., Schlabitz W., Kataev V., Büchner В. Magnetic properties of the Cu02 planes in the low-temperature tetragonal phase of Eu-doped La2.xSrxCu04 // J. Magn. and Magn. Mater. 1998. - V.177-181. - P.539-540.

5. Fisher R.A., Wright D.A., Radhakrishna P., Luce J.L., Stacy A.M., Phillips N.E. The specific heat of LaCu204 and NdCu204 in fields to 7 T // J. Magn. and Magn. Mater. 1998. - V.177-181.-P.787-788.

6. Катаев B.E., Куковицкий Е.Ф., Таланов Ю.И., Тейтельбаум Г.Б. Исследование флуктуаций намагниченности в металлооксиде La2Cu04g // Письма в ЖЭТФ. Т.48. - № 2. - С.96-99.

7. Бажан А.Н., Бевз В.Н., Мержанов В.А., Тищенко Э.А., Шаплыгин И.С. Исследование магнитных свойств La2Cu04y с недостатком La3+ и магнитными примесями // Письма в ЖЭТФ. Т.48. - № 1. - С.21-24.

8. Anderson P.W., Resonating valence bond state in La2Cu04 and superconductivity // Science. 1987. - V.235. N 4794. - P. 1196-1199.

9. Emery V.J., Theory of high-Tc superconductivity of oxides // Phys. Rev. Lett. 1987. - V.58. - N 26. - P.2794-2797.

10. Hirsch J.E., Antiferromagnetism, localozation and pairing in a two-dimensional model for Cu02 // Phys. Rev. Lett. 1987. - V.59. - N 2. -P.228-231.

11. Schrieffer J.R., Wen X.G., Zhang S.C. Spin-bag mechanism of high-Tc superconductivity // Phys. Rev. Lett. 1988. V.60. - N 10. - P.944-947.

12. Dzyaloshinskii I.E., Polyakov A.M., Wiegmann P.B. Neutral fermions in paramagnetic insulators // Phys. Lett. A. 1988. - V. 127. - N 2. - P. 112-114.

13. Фарзтдинов M.M. Физика магнитных доменов в антиферромагнетиках и ферритах. -М.: Наука, 1981. 156 с.

14. Барьяхтар В.Г., Сукстанский A.JL, Яблонский Д.А. Эффективные уравнения движения и доменные границы в La2Cu04 // ФТТ. 1990. - Т.32. -№ 4. - С. 1231-1233.

15. Сукстанский A.JI. Спиновые волны и устойчивость доменных границ в четырехподрешеточном антиферромагнетике La2Cu04 // Препринт Дон-ФТИ-90-20. 1990. - 20 с.

16. Герасимчук B.C., Сукстанский A.JI. Нелинейная динамика четырехпод-решеточного антиферромагнетика La2Cu04 // ФНТ. 1994. - Т.20. - ' №2.-С. 142-149.

17. Viertio Н.Е., Bonesteel N.E. Interplanar coupling and the weak ferromagnetic transition in La2xNdxCu04 // Phys. Rev. B. V.49. N 9. - P.6088-6099.

18. Туров E.A. Кинетические, оптические и акустические свойства антиферромагнетиков. Свердловск: Изд. УрО АН, 1990. - 133 с.

19. Дудко K.JL, Гапон Н.В., Савицкий В.Н., Соловьев В.В. Слабоферромагнитный переход в монокристалле La2Cu04 в нестационарном поле // ФНТ. 1995. - Т.21. - № 3. - С.270-277.

20. Никонов A.A., Парфенов O.E., Захаров A.A. Слабый ферромагнетизм и упорядочение кислорода в монокристаллах La2Cu04+x // Письма в ЖЭТФ. 1997. - Т.66. - № 3. - С.159-162.

21. Захаров A.A., Никонов A.A., Парфенов O.E. Проявление ферромагнетизма в слабо легированных кислородом монокристаллах La2Cu04 в магнитных полях Н< 50 Э // Письма в ЖЭТФ. 1996. - Т.64. - № 3. -С.152-155.

22. Вавилова E.JI., Гарифьянов H.H. Прямое обнаружение порядка в электрохимически накислороженном La2Cu04+s // Письма в ЖЭТФ. 1997. -Т.66. - № 7. - С.470-474.

23. Никонов A.A., Парфенов O.E. Аномальный магнетизм монокристаллов La2Cu04+x // Письма в ЖЭТФ. 2000. - Т.72. -№11.- С.797-801.

24. Иванов Б.А. Динамика межфазных границ в антиферромагнетиках // ЖЭТФ. 1980. - Т.79.-№ 2(8). - С. 581-588.

25. Герасимчук B.C., Сукстанский A.J1. Динамика промежуточного состояния и межфазных границ во внешнем осциллирующем магнитном поле // ЖЭТФ. 1997. - Т.112. - № 4(10). - С.1374-1385.

26. Герасимчук B.C., Сукстанский A.JI. Динамика межфазных доменных границ при фазовом переходе типа Морина // ФТТ. 1999. - Т.41. -№ 2. - С.274-282.

27. Соболева Т.К., Стефановский Е.П., Сукстанский А.Л. Динамика межфазной границы при фазовых переходах первого рода // Письма в ЖЭТФ. 1985. - T.42. - № 2. - С.59-61.

28. Winter I.M. Bloch wall exitation. Application to nuclear resonance in bloch wall // Phys. Rev. 1961. - V.124. - P.452^59.

29. Janak I.E. Quantum theory of domain wall motion // Phys. Rev. A. 1964. -V.131. -N 2. -P.411-422.

30. Фарзтдинов M.M. Спиновые волны в ферро- и антиферромагнетиках с доменной структурой. М.: Наука, 1988. - 240 с.

31. Вонсовский С.В. Магнетизм. М.: Наука, 1971. - 1032 с.

32. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. М.: Наука, 1964. -567 с.

33. Белов К.П., Звездин А.К., Кадомцева A.M., Левитин Р.З. Ориентацион-ные переходы в редкоземельных магнетиках. М.: Наука, 1974. - 318 с.

34. Мицек А.И., Колмакова Н.П., Гайданский П.Ф. Метастабильные состояния одноосных антиферромагнетиков // ФТТ. 1969. - Т.П. - № 5. -С. 1258-1264.

35. Белов К.П., Звездин А.К., Кадомцева A.M., Крынецкий И.Б., Овчинникова Т.Л. Характер перехода из слабоферромагнитного в антиферромагнитное состояние в ортоферритах // ФТТ. 1974. - Т. 16. - № 9. -С.2615-2620.

36. Беляева А.И., Стельмахов Ю.Н., Потакова В.А. Визуальное исследование явления спиновой переориентации в DyFe03 вблизи температуры Морина // ФТТ. 1977. - Т. 19. - № 10. - С.3124-3125.

37. Криворучко В.Н., Примак Т.Е. Магнитная структура, фазовые переходы и особенности распространения электромагнитных волн в La2Cu04 // ФНТ. 1993. - Т.19. - № 8. - С.871-882.

38. Горьков Л.П. К вопросу об интерпретации фазовой , диаграммы La2Cu04+5 // Письма в ЖЭТФ. 1990. - Т.52. - № 9. - С. 1100-1103.

39. Захаров А.Ю., Никифоров А.Е., Шакшин С.Ю. Моделирование структурного фазового перехода в La2.xSrxCu04 // ФТТ. 1999. - Т.41. - № 6. -С. 1096-1102.

40. Дудко К.Л., Еременко В.В., Фридман В.М. Магнитное расслоение при опрокидывании подрешеток антиферромагнитного фторида марганца // ЖЭТФ. 1971. - Т.61. - № 2(8). - С.678-688.

41. Дудко К.Л., Еременко В.В., Фридман В.М. Исследование перехода FeCC>3 из антиферромагнитного в парамагнитное состояние под действием сильного магнитного поля // ЖЭТФ. 1975. - Т.68. - № 2. - С.659-670.

42. Барьяхтар В.Г., Локтев В.М., Яблонский Д.А. Магнитокристаллическая симметрия, спиновая статика и динамика в высокотемпературных сверхпроводниках // Препринт ИТФ-88-81Р. 1988. - 26 с.

43. Smirnova I.S. Normal modes of the LaMn03 Pnma phase: comparison with La2Cu04 Cmca phase // Phys. B. 1999. - V.262. - P.247-261.

44. Барьяхтар В.Г., Боровик A.E., Попов B.A. Теория промежуточного состояния антиферромагнетиков // ЖЭТФ. 1972. - Т.62. - № 6. - С.2233-2242.

45. Барьяхтар И.В., Иванов Б.А. О нелинейных волнах намагниченности антиферромагнетика // ФНТ. 1979. - Т.5. - № 7. - С.759-771.

46. Ахиезер А.И., Барьяхтар В.Г., Пелетминский С.В. Спиновые волны. -М.: Наука, 1967.-368 с.

47. Bar'yachtar V.G. et al. Magnetocrystalline symmetry, spin statics and dynamics in high-temperature superconductors // Phys. C. 1988. - V.156. -N 5. - P.667-678.

48. Филиппов Б.Н., Танкеев А.П. Динамические эффекты в ферромагнетиках с доменной структурой. М.: Наука, 1987. - 216 с.- 50. Сукстанский A.JI. Устойчивость доменных границ в редкоземельных ор-тоферритах // ФТТ. 1985. - Т.27. -№11.- С.3509-3512.

49. Морс Ф.М., Фешбах И. Методы теоретической физики. М.: Иностр. лит., 1958. -Т.1.-713 е.; Т.2. - 668 с.

50. Шамсутдинов М.А., Фарзтдинов М.М., Екомасов Е.Г. Динамический скос магнитных подрешеток в магнитном поле и спиновые волны в редкоземельных ортоферритах с доменной структурой // ФТТ. 1990. -Т.32. -№ 4. - С. 1133-1139.

51. Иванов Б.А., Лапченко В.Ф., Сукстанский A.JI. О спиновых волнах, локализованных на доменных границах // ФТТ. 1986. - Т.28. - № 11. -С.2927-2934.

52. Залесский A.B., Саввинов A.M., Желудев И.С., Иващенко А.Н. ЯМР на ядрах 57Fe и спиновая переориентация в доменах и доменных границах кристаллов ErFe03 и DyFe03 // ЖЭТФ- 1975. Т.68. - № 4. - С.1449-1459.

53. Shymczak R., Maziewski A., Piotrowski К. Temperature dependence of domain structure in Dy0.5Ho0.5FeO3 monocrystals // J. Magn. and Magn. Mater. -1980. У. 15.-18. -1.3. - P. 1505-1506.

54. Богданов A.H., Галушко В.А., Телепа В.Т., Яблонский Д.А. Спиновая переориентация в 180°-ных доменных границах спин-флоп фазы легко-осных антиферромагнетиков // Письма в ЖЭТФ. 1984. - Т.40. - № 11.-С.453^55.

55. Богданов А.Н., Телепа В.Т., Шатский П.П., Яблонский Д.А. Индуцированные внешним магнитным полем фазовые переходы в доменных границах ромбического антиферромагнетика (С2Н5МНз)2СиС14 // ЖЭТФ. -1986. Т.90. - № 5. - С. 1738-1747.

56. Krivoruchko V.N., Primak Т.Е. Magnetic polaritons in La2Cu04+y near the insulator-metal transition // Phys. Lett. A. 1992. - V.164. - P.310-314.

57. Базаров И.П. Термодинамика. M.: Высшая школа, 1976. - 181 с.

58. Шамсутдинов М.А., Фарзтдинов М.М., Халфина A.A. Магнитные фазовые переходы в доменной границе редкоземельных ортоферритов // ФТТ. 1989. - Т.31. - № 2. - С. 112-116.

59. Shamsutdinov M.A., Nazarov V.N., Khalfïna A.A. Structure of domain walls and spin wave spectrum in La2Cu04-type antiferromagnets in a magnetic field // J. Magn. and Magn. Mater. 2000. - V.214. - P. 139-148.

60. Шамсутдинов M.А., Назаров В.H. Структура и стационарная динамика межфазной границы в антиферромагнетике типа La2Cu04 // ФТТ. -2001. Т.43. - № 2. - С.265-269.

61. Kersten. // Phys. Zs. 1943. - V.44. - Р.63-77.

62. Шамсутдинов M.А., Филиппов Б.Н. Колебания доменной границы в магнитном поле в ферромагнетике с неоднородными параметрами // ФММ. 1991. -Хо 8. - С.87-96.

63. Головенчиц Е.И., Гинзбург С.Л., Санина В.А., Бабинский A.B. Спиновая динамика квазидвумерного гейзенберговского антиферромагнетика Eu2CU04 // ЖЭТФ. 1995. - Т.107. - № 5. - С. 1641-1662.

64. Maleyev S.V., Petitgrand D., Bourdes Ph., Ivanov A.S. Pseudodipolar interaction in noncollinear antiferromagnets and spin waves in Pr2Cu04 // Phys. B. 1999. - V.259-261. - P.870-874.

65. Шамсутдинов M.A., Ниязгулов C.A. Структура и спин-волновые свойства движущейся доменной границы в редкоземельном ортоферрите // ФММ. 1998. - Т.85. - № 6. - С.23-29.

66. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика. М.: Наука, 1989. -767 с.