Теория концентрированных магнитоупорядоченных сплавов с конкурирующими обменными и анизотропными взаимодействиями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

I. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ НЕУПОРЯДОЧЕННЫХ МАГНЕТИКОВ С КОНКУРИРУЮЩИМИ ОБМЕННЫМИ ИЛИ АНИЗОТРОПНЫМИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯМИ

1.1. Состояние спинового стекла

1.1.1. Экспериментальные проявления спин-стекольного поведения.

1.1.2. Модель спинового стекла с бесконечным радиусом обменного взаимодействия ( модель Шеррингтона

- Киркпатрика ).

1.1.3. Уравнения Таулесса - Андерсона - Палмера и неэргодичность поведения модели Шеррингтона

- Киркпатрика

1.1.4. Модель спинового стекла с короткодействующим обменным взаимодействием и проблема фазового перехода в реальных спиновых стеклах

1.2. Магнетики со случайными конкурирующими анизотропными взаимодействиями

1.2.1. Аморфные магнетики с хаотической ориентацией осей легкого намагничивания ( модель Харриса

- Плишке - Цукерманна ).

1.2.2. Хаотические твердые растворы кристаллических магнетиков с взаимно-перпендикулярными осями легкого намагничивания

1.3. Экспериментальные исследования концентрированных магнитных сплавов с конкурирующими обменными взаимодействиями и постановка задачи

2. СПИН-ВОЛНОВОЙ СПЕКТР ГАЙЗЕНБЕРГ0ВСК0Г0 ФЕРРО- ИЛИ АНТИФЕРРОМАГНЕТИКА С КОНЕЧНОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ПРИМЕСНЫХ КОНКУ

РИРУЮЩИХ ОБМЕННЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

2,1. Антиферромагнитно связанные примесные атомы в гейзенберговском ферромагнетике с простой кубической решеткой

2.I.I. Порог устойчивости полностью поляризованного основного ферромагнитного состояния

2.1.2. Волновая функция основного состояния с неполной поляризацией спинового выстраивания

2.1.3. Комплексы примесных антиферромагнитных связей и условие потери устойчивости полностью поляризованным основным состоянием

2.2. Антиферромагнитно связанные примесные атомы в гай-зенберговском ферромагнетике с объемноцентрированной или гранецентрированной кубической решеткой

2.2.1. Неустойчивость коллинеарного ферромагнитного состояния в системе классических спиновых векторов к введению примесной антиферромагнитной связи

2.2.2. Примесная пара антиферромагнитно связанных спинов в ферромагнетике с ОЦК или ГЦК решеткой

2.2.3. Сравнение с экспериментом

2.3. Спин-волновой спектр гейзенберговского ферромагнетика с конечной концентрацией слабых антиферромагнитных связей.

2.4. Спин-волновой спектр гейзенберговского ферромагнетика с конечной концентрацией аномально сильных антиферромагнитных связей.

2.5. Гайзенберговский антиферромагнетик с конечной концентрацией примесных ферромагнитных взаимодействий

2.6. Выводы.

3. НЕУПОРЯДОЧЕННЫЕ ИЗИНГОВСКИЕ МАГНЕТИКИ С КОНКУРИРУЮЩИМИ ОБМЕННЫМИ СВЯЗЯМИ ШМЙШИХ СОСЕДЕЙ.III

3.1. Изинговекая модель с конкурирующими случайными обменными связями ближайших соседей при нулевой температуре .III

3.2. Изинговекая модель случайных узлов с конкурирующими обменными взаимодействиями ближайших соседей при нулевой температуре.

3.3. Изинговекая модель с конкурирующими случайными связями в приближении путей без пересечений

3.4. Модель Изинга со случайными узлами и конкурирующими взаимодействиями ближайших соседей в приближении путей без пересечений.

3.5. Выводы.

4. МАГНИТНЫЕ СОСТОЯНИЯ НЕУПОРЯДОЧЕННЫХ ГАЙЗЕНБЕРГОВСКИХ МАГНЕТИКОВ С КОНКУРЕНЦИЕЙ ОБМЕННЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ БЛИЖАЙШИХ СОСЕДЕЙ.

4.1. Магнитные состояния с сосуществованием дальнего магнитного порядка и спинового стекла в гейзенберговском магнетике со случайными связями

4.1.1. Область высоких температур

4.1.2. Область низких температур

4.2. Магнитные состояния бинарного гейзенберговского магнетика с конкурирующим обменом ближайших соседей случай ПК и ОЦК решеток )

4.2.1. Область высоких температур.

4.2.2. Область низких температур

4.3. Бинарный гейзенберговский магнетик с конкурирующим обменом ближайших соседей и ГЦК решеткой

4*3.1. Область высоких температур

4.3.2. Область низких температур

4.4. Сравнение с экспериментом

4.4.1. Келезо-никель-марганцевые сплавы с ГЦК решеткой

4.4.2. Магнитные сплавы с альтернирующими кубическими решетками магнитных ионов

4.4.3. Другие типы магнитных сплавов

4.5. Выводы.

5. БИНАРНЫЙ МАГНИТНЫМ СПЛАВ С МАГНИТНЫМИ МОМЕНТАМИ, ЗАВИСЯЩИМИ ОТ ЛОКАЛЬНОГО ОКРУЖЕНИЯ.

5.1. Бинарные и разбавленные ферромагнитные сплавы со ступенчатой зависимостью величин магнитных моментов от локального окружения (приближение эффективного поля)

5.1.1. Выбор модели

5.1.2. Приближение молекулярного поля и приближение постоянной связи.

5.2. Спиновые волны в ферромагнитных сплавах со ступенчатой зависимостью величин магнитных моментов от локального окружения.

5*2.1. Разбавленный ферромагнетик

5.2.2. Бинарный ферромагнитный сплав

5.3. Распределение сверхтонких полей

5.4. Бинарный магнитный сплав с конкурирующими обменными взаимодействиями и магнитными моментами, зависящими от локального окружения.

5.5. Сравнение с экспериментом.

5.5.1. Разбавленные ферромагнитные сплавы

5*5.2. Бинарные ферромагнитные сплавы

5.5.3. Замечания о зависимости величин магнитных моментов от локального окружения в железо-никель-марганцевых сплавах с ГЦК решеткой.

5.6. Выводы.

6. БИНАРНЫЙ ФЕРРОМАГНИТНЫЙ СПЛАВ С КОНКУРИРУЮЩИМИ ОДНОИОННЫМИ АНИ30ТР0ПИЯМИ ТИПА "ЛЕГКАЯ ОСЬ" И "ЛЕГКАЯ ПЛОСКОСТЬ"

6.1. Спектр спиновых возбуждений и основное состояние ферромагнетика типа "легкая ось" с примесным атомом, обладающим одноионной анизотропией типа "легкая плоскость"

6.1Л. Модельный гамильтониан

6.1.2. Порог устойчивости полностью поляризованного основного ферромагнитного состояния в однопримесном случае.

6.1.3. Основное состояние с многочастичным спиновым отклонением на примесном узле

6.1.4. Вклад низколежащих примесных уровней в низкотемпературную термодинамику системы

6.1.5. Ферромагнитный резонанс на низкочастотных примесных модах.

6.2. Спин-волновой спектр ферромагнетика типа "легкая ось" с конечной концентрацией примесей, обладающих анизотропией типа "легкая плоскость"

6.2Л. Случай слабого однопримесного возмущения

6.2.2. Случай сильного однопримесного возмущения

6.2.3. Локализация одночастичных спиновых возбуждений в неупорядоченном ферромагнетике с хаотической одноионной анизотропией типа "легкая ось"

6*2*4* Локализация спиновых возбуждений в ферромагнетике типа "легкая ось" с примесными атомами, обладающими одноионной анизотропией типа "легкая плоскость"

6.3. Спиновые волны в ферромагнетике с одноионной анизотропией типа "легкая плоскость" в присутствии примесей с конкурирующей анизотропией

6» ЗЛ. Однопримесный случай.

6*3.2. Спиновые волны при конечной концентрации примесей в случае допороговой величины однопримесного возмущения

6.4. Магнитные фазовые диаграммы бинарного ферромагнитного сплава с конкурирующими одноионными анизотропиями типа "легкая ось" и "легкая плоскость"

6.4.1. Область высоких температур

6.4.2. Область концентраций сплава вблизи идеального ферромагнетика типа "легкая ось" при нулевой температуре

6.4.3. Область концентраций сплава вблизи идеального ферромагнетика типа "легкая плоскость" при нулевой температуре.

6.4*4. Сопоставление результатов квантового спин-волнового и квазиклассического молекулярно-полевого подходов при нулевой температуре

6.4.5. Качественные магнитные фазовые диаграммы

6.4.6. Сравнение с экспериментом

6.5. Выводы

Актуальность темы. Концентрированные магнитные сплавы с конкурирующими обменными и анизотропными взаимодействиями находят широкое применение в технике и поэтому являются объектами многочисленных экспериментальных исследований. Они интересны и непосредственно своими магнитными свойствами, и тем, что целый ряд практически важных физических особенностей, таких, как, например, инварность железо-никелевых сплавов, тесно связаны со спецификой их магнитного поведения» Однако теоретическое понимание особенностей хаотических магнитных состояний таких сплавов и представления об их типичных магнитных фазовых диаграммах являются слабо изученными вопросами, что вызвано теми принципиальными трудностями, которые возникают при описании сплавов с конкурирующими взаимодействиями из-за сильных пространственных флуктуации микроскопических параметров систем. Поэтому систематический теоретический анализ возможных типов хаотических магнитных состояний в таких сплавах, включая учет возможности появления состояния спинового стекла, является крайне необходимым для объяснения большой совокупности накопленных экспериментальных фактов и для прогнозирования характера изменения магнитных свойств смешанных систем, когда они изготавливаются на основе компонент с конкурирующими типами магнитного упорядочения.

В настоящее время является общепризнанным, что состояние спинового стекла, возникающее в разбавленных сплавах переходных металлов с благородными, обязано своим происхождением конкурирующему характеру дальнодействующего косвенного рудерман-киттелевск-ого обменного взаимодействия. В то же время существуют другие типы неупорядоченных сплавов ( например, концентрированные бинарные или квазибинарные твердые магнитные растворы переходных металлов, образующие непрерывный изоструктурный ряд от идеального ферромагнетика на одном краю составов до идеального антиферрокагнетика на другом краю ), у которых в области промежуточных концентраций экспериментально наблюдается состояние спинового стекла, но картина обменных взаимодействий является более сложной. Обменные взаимодействия в таких бинарных сплавах образуются совокупностью прямого и различных косвенных механизмов обмена и в общем являются дально-действующими, однако в качестве первого шага их можно попытаться аппроксимировать моделью конкурирующих обменных взаимодействий между ближайшими соседями ( 3Ад ^ О , Г/д6 > О , J6g О ), которая впервые была предложена Кондорским в 1959 году для железо-никелевых инварных сплавов с ГЦК решеткой. Априорно не является очевидным, что эта модель допускает появление состояния спинового стекла на магнитной фазовой диаграмме, поскольку, с другой стороны, есть ряд сплавов с вышеуказанными знаками эффективных обменных взаимодействий, в которых на эксперименте не обнаруживается состояние спинового стекла. Поэтому изучение возможных типов хаотических магнитных состояний для модели бинарного магнетика с конкурирующими обменными взаимодействиями ближайших соседей представляет актуальную теоретическую задачу, так как этой моделью можно описывать широкий класс неупорядоченных магнитных систем.

При анализе эксперимента в сплавах переходных металлов необходимо учитывать, что магнитные моменты на узлах решетки могут заметно меняться при изменении концентрации сплава. Наиболее ярко это проявляется в эффектах зависимости величин локализованных магнитных моментов от характера локального окружения. Методы, основанные на расчете магнитных характеристик сплава из первых принципов электронной теории, не дают однозначного ответа о природе и виде этой зависимости для концентрированных сплавов. Поэтому можно пойти по пути феноменологического учета эффектов локального окружения с целью выяснения их влияния на кооперативные магнитные свойства неупорядоченных систем. Однако даже использование простейшей феноменологической модели ступенчатой зависимости магнитных моментов от локального окружения ( модель Джакарино-Уокера ) для описания всего комплекса магнитных свойств сплавов не нашло до сих пор адекватного математического оформления, и поэтому указанная модель применялась экспериментаторами только для интерпретации концентрационной зависимости среднего магнитного момента сплава при нулевой температуре. Этот вопрос тем более требует теоретической разработки, что в сплавах переходных металлов эффекты пространственной разориентации магнитных моментов из-за конкуренции обменных взаимодействий и эффекты зависимости абсолютных величин магнитных моментов от состава локального химического окружения могут существовать одновременно. Поэтому необходимо иметь четкие представления о возможности различения этих эффектов по экспериментальным проявлениям.

Наконец, очевидно, что сильная пространственная разориентация магнитных моментов в сплавах может возникать также из-за конкуренции анизотропных взаимодействий, стремящихся выстроить магнитные моменты разноименных атомов вдоль различных кристаллографических осей. В последнее время флуктуации подобного рода усиленно исследуются в аморфных ферромагнетиках с хаотическими направлениями локальных осей легкого намагничивания. В то же время ясно, что эти эффекты не являются чем-то специфически присущим аморфным магнетикам и что они могут встречаться в кристаллических твердых растворах, например, когда атомы одного сорта обладают одноионной анизотропией типа "легкая ось", а другого сорта - одноионной анизотропией типа "легкая плоскость". Однако при анализе магнитных состояний кристаллических ферро- или антиферромагнитных смешанных систем с конкурирующими анизотропиями этими эффектами до сих пор полностью пренебрегали. Поэтому для понимания экспериментальной ситуации крайне необходимо выяснить влияние сильных пространственных флуктуации равновесных ориентации магнитных моментов на формирование типов хаотических магнитных состояний в кристаллических сплавах с конкурирующими анизотропными взаимодействиями.

В целом, указанный круг теоретических задач охватывает случаи сильных концентрационных флуктуации основных микроскопических параметров магнитных сплавов, так что, комбинируя их, можно описать весьма разнообразные типы неупорядоченных магнитных систем.

Цель работы* Цель работы состояла в том, чтобы на основе микроскопических моделей, охватывающих случаи сильных концентрационных флуктуации основных микроскопических параметров твердых магнитных растворов ( модель бинарного магнитного сплава с конкурирующими обменными связями ближайших соседей, модель бинарного ферромагнитного сплава со ступенчатыми зависимостями величин магнитных моментов от химического состава локального окружения и модель бинарного ферромагнитного сплава с конкурирующими одноионны-ми анизотропиями типа "легкая ось" и "легкая плоскость" ), во-первых, разработать совокупность теоретических приемов для описания различных типов хаотических магнитных состояний и определения их границ существования в широком диапазоне концентраций и температур, во-вторых, построить типичные магнитные фазовые диаграммы для указанных микроскопических моделей, и, в-третьих, провести сравнение полученных теоретических магнитных фазовых диаграмм с экспериментом.

Кроме того, в ходе решения этих задач для лучшего понимания физических особенностей модели бинарного магнитного сплава ( модель случайных узлов ) с конкурирующими обменными взаимодействиями ближайших соседей были выполнены аналогичные по характеру исследования модели случайных конкурирующих обменных связей между ближайшими соседями и проведено сравнение этих двух моделей.

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в том, что впервые получены и выносятся на защиту следующие основные научные результаты:

1. Впервые показано существование локальной неустойчивости порогового типа полностью поляризованного основного ферромагнитного состояния к введению примесей с конкурирующими обменными или анизотропными взаимодействиями, что проявляется в энергетической неустойчивости исходного основного состояния к появлению локализованных спиновых отклонений. Выявлено принципиальное различие локальной неустойчивости основного состояния и глобальной неустойчивости, выражающейся в энергетической неустойчивости распространяющихся спиновых возбуждений и определяющей концентрационную границу существования коллинеарного ферромагнитного состояния с локальными областями частичной деполяризации спинового выстраивания.

2. Показано, что возникновение состояния спинового стекла при промежуточных концентрациях в модели бинарного магнитного сплава с конкурирующими обменными взаимодействиями ближайших соседей существенно зависит от топологии решетки, т.е. область состояния спинового стекла отсутствует на фазовых диаграммах магнетиков с альтернирующими ПК или ОЦК решетками магнитных ионов и в то же время часто присутствует на фазовых диаграммах неупорядоченных магнетиков с Г ЦК решеткой магнитных ионов.

3. Предсказано возникновение новых типов хаотических магнитных состояний за счет конкуренции обменных взаимодействий в неупорядоченных гайзенберговских магнетиках. Эти состояния являются состояниями промежуточного типа между состоянием спинового стекла и обычными типами дальнего магнитного порядка и характеризуются параметрами дальнего магнитного порядка для продольных спиновых проекций и параметрами спин-стекольного упорядочения для поперечных спиновых проекций.

4. Разработан математический формализм учета ступенчатой зависимости величин магнитных моментов от состава локального окружения для вычисления физических характеристик бинарных и разбавленных ферромагнитных сплавов ( температуры Кюри, магнитной восприимчивости, спектра спиновых волн ), Выявлена специфика эффектов протекания в системе локализованных магнитных моментов при короткодействующем обмене в случаях сильной ступенчатой зависимости величин магнитных моментов от состава локального окружения,

5. Доказана связь эффектов аномального затухания спиновых волн у дна квазинепрерывного спектра возбуждений ферромагнетика в случае хаотизации параметра одноионной анизотропии типа "легкая ось" с локализацией спиновых возбуждений и возникновением порогов подвижности спиновых волн, что является магнитной аналогией эффектов андерсоновской локализации электронов в неупорядоченных системах.

6. Предсказана возможность возникновения хаотических магнитных состояний переходного типа между состоянием спинового стекла и состоянием коллинеарного ферромагнетизма в кристаллических бинарных ферромагнитных сплавах за счет конкуренции одноионных анизотропий типа "легкая ось" и "легкая плоскость" разноименных атомов сплава.

7. Получены основные типы качественных магнитных фазовых диаграмм на плоскости переменных "концентрация - температура 11 для: а) гайзенберговского магнетика с конкурирующими обменными взаимодействиями ближайших соседей в модели случайных связей, б) изинговского и гайзенберговского бинарных магнетиков с конкурирующими обменными взаимодействиями ближайших соседей ( модель случайных узлов ), в) разбавленных и бинарных ферромагнитных сплавов с эффектами ступенчатой зависимости величин магнитных моментов от состава локального окружения, г) бинарного ферромагнитного сплава с конкурирующими одноионными анизотропиями типа "легкая ось" и "легкая плоскость". Проведено сравнение полученных теоретических магнитных фазовых диаграмм с результатами экспериментальных исследований соответствующих типов концентрированных неупорядоченных магнетиков.

Научная и практическая ценность работы. Проведенные теоретические исследования и полученные в результате представления о качественном виде магнитных фазовых диаграмм и типах хаотических магнитных состояний для рассмотренных моделей неупорядоченных магнетиков позволяют экспериментаторам ориентироваться в сложных последовательностях концентрационных и температурных фазовых переходов, с которыми они могут столкнуться на эксперименте, и идентифицировать наблюдаемые магнитные состояния. Это также дает возможность предугадывать тенденции в изменении магнитных свойств при изготовлении смешанных твердых магнитных растворов. Кроме того, найденные теоретические выражения для критических температур переходов и критических концентраций могут быть использованы для извлечения из экспериментальных данных оценок микроскопических параметров взаимодействий в таких системах, в частности, параметров эффективного обмена между разноименными атомами.

Результаты диссертации объясняют природу магнитных состояний разнообразных групп сплавов переходных металлов: концентрированных сплавов с конкурирующими обменными взаимодействиями - Fe - Hi , Vi-Мп , Fe -Hi - Mn , Fe-Сг ,(FexMn,x) Pt3 , (Fe,xMnx)Pt; сплавов с магнитными моментами, величины которых зависят от состава локального окружения - Vt-Ir . M-Os , Vc-tfu , Hi-Rh ,

Ht-Pd , Co-Rh , Co-lr ; интерметаллических ферромагнитных твердых растворов с конкурирующими одноионными анизотропиями типа "легкая ось" и "легкая плоскость" - Er^tyy и Нс^ .

К настоящему времени теоретические концепции, разработанные в диссертации, стимулировали постановку экспериментальных исследований или применялись для интерпретации экспериментов по неупорядоченным магнетикам в Институте физики металлов УНЦ АН СССР ( г. Свердловск ), Институте общей физики АН СССР ( г. Москва ), Институте физики АН УССР ( г.Киев ), Иркутском госуниверситете ( г. Иркутск ), Уральском политехническом институте ( г.Свердловск ). В частности, в результате таких исследований, проведенных совместно Институтом физики металлов УНЦ АН СССР и Институтом физики АН УССР, было обнаружено предсказанное автором переходное состояние между состоянием с дальним антиферромагнитным порядком и состоянием спинового стекла ( антиасперомагнитное состояние ) в железо-хромовых сплавах»

Научное направление. Основным научным направлением диссертации является теоретическое исследование особенностей хаотических магнитных состояний и магнитных фазовых диаграмм концентрированных кристаллических сплавов с конкуренцией обменных или анизотропных взаимодействий, включающее учет возможности появления состояния спинового стекла или состояний промежуточного типа между состоянием спинового стекла и состояниями с обычными типами дальнего магнитного порядка.

Краткое содержание диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и трех приложений.

6,5. Выводы

1) Впервые показано, что при введении примесного атома с одноионной анизотропией типа "легкая плоскость" в ферромагнетик с одноионной анизотропией типа "легкая ось" или, наоборот, примесного атома с анизотропией типа "легкая ось" в ферромагнетик типа "легкая плоскость" возникает неустойчивость исходного основного состояния идеального кристалла по отношению к примесному возмущению, превышающему некоторый порог» Для легкоосного ферромагнетика с примесным атомом, обладающим анизотропией типа "легкая плоскость", в случае запороговой величины возмущения исследованы последовательности локальных перестроек основного состояния с усилением локальной деполяризации спинового выстраивания на примеси и в ее окрестности, а также особенности термодинамических свойств и ферромагнитного резонанса, связанные с появлением локальных примесных уровней ( многочастичного характера по отношению к состоянию полной поляризации спинов ) в щели спектра квазинепрерывных возбуждений.

2) Впервые показано, что глобальная неустойчивость основного состояния типа "легкая плоскость" при конечной концентрации примесей, обладающих одноионной анизотропией типа "легкая ось" ( в случае допороговой величины однопримесного возмущения ), связана с возникновением акустической неустойчивости спектра спиновых волн.

3) В рамках квантово-механического анализа спектра спиновых возбуждений впервые показано, что основным состоянием ферромагнетика типа "легкая ось" при конечной концентрации примесей с одноионной анизотропией типа "легкая плоскость" внутри некоторого конечного концентрационного интервала является состояние с изолированными областями локальной деполяризации спинового выстраивания. Спектр одночастичных спиновых возбуждений над основным состоянием такого типа носит щелевой характер с аномальным затуханием у дна полосы квазинепрерывных возбуждений.

4) На примере модельной задачи со случайной одноионной анизотропией типа "легкая ось" впервые показано, что аномальное затухание спиновых волн в ферромагнетиках со случайной анизотропией является свидетельством локализации одночастичных спиновых возбуждений, аналогичной андерсоновской локализации электронов в неупорядоченных системах. Впервые отмечено, что концентрационная граница глобальной устойчивости основного состояния легкоосного ферромагнетика с примесью атомов, обладающих одноионной анизотропией типа "легкая плоскость", должна определяться концентрационной границей исчезновения нижнего порога подвижности спиновых возбуждений.

5) При анализе магнитной фазовой диаграммы хаотической смеси двух ферромагнетиков с конкурирующими одноионными анизотропиями типа "легкая ось" и "легкая плоскость" в приближении молекулярного поля ( для квазиклассических спинов ) впервые показана возможность существования новых типов хаотических магнитных состояний, а именно, асперомагнитного состояния и хаотического веерообразного ферромагнитного состояния в концентрационных интервалах, прилегающих на фазовой диаграмме к идеальному ферромагнитному состоянию типа "легкая ось" или, соответственно, "легкая плоскость".

299 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Круг физических моделей, аппроксимирующих неупорядоченные магнитные системы и теоретически исследованных в настоящей работе ( модель бинарного магнитного сплава с конкурирующими обменными взаимодействиями ближайших соседей, модель разбавленного или бинарного ферромагнитного сплава с магнитными моментами, зависящими от локального окружения, и модель бинарного ферромагнитного сплава с конкурирующими одноионными анизотропиями типа "легкая ось" и "легкая плоскость" ), и угол зрения, под которым они рассматривались, сложились главным образом под влиянием научных интересов лаборатории магнитной нейтронографии Института физики металлов УНЦ АН СССР, на протяжении многих лет ведущей изучение атомной магнитной структуры концентрированных сплавов переходных металлов. Поэтому основное внимание в диссертации было уделено построению магнитных фазовых диаграмм на всей плоскости переменных "температура-концентрация", выяснению взаимного расположения областей различных типов хаотических магнитных состояний и выявлению тех особенностей их магнитного упорядочения, которые могут быть обнаружены с помощью рассеяния нейтронов или простых экспериментальных методик магнитных измерений ( типа измерений намагниченности или восприимчивости ). Детальные теоретические исследования термодинамических и тем более кинетических свойств целого ряда новых типов хаотических магнитных состояний, впервые предсказанных в настоящей работе, еще ждут своей очереди.

При построении магнитной фазовой диаграммы для разных концентрационных или температурных интервалов приходится использовать как подходы, базирующиеся на методах теории локальных возмущений, так и на приближениях среднего ( по хаотическим конфигурациям ) поля, как высокотемпературные разложения или различные варианты приближений самосогласованного поля для классических спиновых векторов, так и низкотемпературные квантово-механические расчеты спектра спиновых возбуждений» Сведение мозаики полученных результатов в единую физическую картину и последующее сопоставление с экспериментом представляет сложную и подчас неоднозначно решаемую задачу. Тем не менее, несмотря на кажущуюся разноречивость рассматриваемых физических моделей, Настоящие исследования выявляют одну общую и очень важную черту неупорядоченных магнитных систем с конкурирующими обменными или анизотропными взаимодействиями - это возникновение новых типов хаотических магнитных состояний, которые по своему характеру являются промежуточными между общеизвестными типами состояний с дальним магнитным порядком и полностью хаотическим, "замороженным" на шкале экспериментальных времен наблюдения, спиновым беспорядком ( спиновым стеклом ).

Конкретные новые физические результаты и выводы, полученные для каждой из рассмотренных моделей неупорядоченных магнетиков, подробно изложены в концах соответствующих глав, а наиболее существенные - вынесены во введение к диссертации. Поэтому повторять их нет необходимости. В то же время полезно еще раз затронуть рассмотренные неупорядоченные магнитные системы, чтобы очертить еще нерешенные проблемы и возможные направления дальнейших исследований.

Для концентрированных сплавов переходных металлов с конкурирующими обменными взаимодействиями модель обменных взаимодействий только с ближайшими соседями ( модель Кондорского ) дает вполне удовлетворительное качественное описание концентрационной перестройки магнитной структуры от ферромагнетизма к антиферромагнетизму в самых разнообразных сплавах. Однако для получения более точного количественного описания эксперимента необходимо расширить эту модель и ввести, как минимум, модель обменных взаимодействий с двумя координационными сферами. Необходимость такого обобщения видна хотя бы из того, что даже в идеальном ферромагнитном металле невозможно согласовать экспериментальные значения нулевого пространственного момента обменных взаимодействий, извлекаемого из измерений температуры Кюри Тс , и второго пространственного момента обменных взаимодействий, извлекаемого из измерений величины коэффициента спин-волновой жесткости Т) , без введения модели обменных взаимодействий с соседями первого и второго порядков.

Переход к такой модели обменных взаимодействий в большинстве полученных теоретических выражений не вызывает серьезных затруднений и не требует введения новых физических концепций, хотя и значительно увеличивает громоздкость конечных выражений. Однако на этом пути, без сомнения необходимом для количественного описания эксперимента, вряд ли можно ожидать обнаружения каких-то принципиально новых физических явлений по сравнению с моделью взаимодействий с ближайшими соседями.

В то же время было бы непростительным заблуждением считать, что в рамках модели обменных взаимодействий с ближайшими соседями уже достигнута окончательная ясность для всех областей фазовой диаграммы. Область низких температур в середине концентрационного интервала, где в зависимости от топологии решетки и соотношения обменных параметров может встретиться и скошенное магнитное состояние, и спиновое стекло, и асперомагнитная или антиасперомагнитная структура, и магнитный фазовый переход 1-го рода с зародышами фаз по обе стороны границы перехода, особенно нуждается в дальнейших уточняющих исследованиях. Казалось бы, что надежнее всего это можно сделать с помощью анализа спектра спиновых волн при нулевой температуре в приближениях типа когерентного потенциала или средней ~Ь - матрицы.

Однако в настоящее время нельзя быть достаточно уверенным, что существующая гидродинамическая теория спиновых волн дает правильное описание спин-волновых возбуждений в спиновом стекле. Единственное на сегодняшний день экспериментальное наблюдение спиновых волн в монокристаллах спин-стекольного Си-Мп сплава с 2,6 и 3,6 ат. % марганца /299/ методами нейтронной спектроскопии не обнаружило спиновых волн при достаточно малых волновых векторах и установило квадратичный закон дисперсии при их больших значениях, в то время, как теория Халперина и Саслова /178/, для которой можно построить аналог на микроскопическом уровне /300/ и казалось бы перекинуть мостик к поиску концентрационных границ глобальной устойчивости хаотических магнитных состояний при низких температурах, дает линейный закон дисперсии. Может быть, это расхождение только кажущееся, связанное с отсутствием надежных экспериментальных данных при малых волновых векторах. Сами авторы работы /299/ расценивают свои результаты как указание на существование конечных ферромагнитных кластеров в сплаве, в которых и возбуждаются обнаруженные спиновые волны. Однако скорее всего отсутствие надежных свидетельств о распространяющихся спиновых волнах в спиновом стекле при достаточно малых волновых векторах ( см. также ссылки в /299/ ) говорит о том, что низкоэнергетические спиновые возбуждения в спиновых стеклах могут быть правильно поняты только в рамках теории Дзялошинского и Воловика /301,302/.

Дзялошинский и Воловик /301,302/ указали, что в трехмерной гайзенберговской системе спинов, находящихся в состоянии спинового стекла, должно существовать беспорядочное переплетение дисклина-ций, движение которых дает вклад в низкоэнергетические состояния спинового стекла. Процессы движения таких непрерывно распределенных дисклинаций нужно обязательно учитывать в уравнениях гидроди-мики наряду с колебаниями спинов около некоторого состояния равновесия ( при фиксированном положении дисклинаций ). Фактически эта картина является предвосхищением развиваемых ныне представлений об иерархии потенциальных барьеров в спиновом стекле, отделяющих друг от друга минимумы свободной энергии, когда движение спинов при малых энергиях возбуждений должно складываться из их колебаний около положений равновесия, соответствующих какому-то энергетическому минимуму системы, и из низкоэнергетических переходов всей системы в близлежащие по энергии минимумы. В итоге существование диссипа-тивного потока дисклинаций ведет к превращению длинноволновых акустических мод ~ К в моды диффузионного типа /302/*

Теория Дзялошинского и Воловика /301,302/ является макроскопической теорией, опирающейся на идеи локальной обменной инвариантности и аналогии с полями Янга-Миллса. Трудности построения теории микроскопического типа, адекватной по своим результатам теории Дзялошинского и Воловика, необычайно велики, так как сейчас неясно, каким образом можно смоделировать на микроскопическом уровне эту сеть дисклинаций в спиновом стекле. Поэтому в целом ситуация такова, что до тех пор, пока не будет окончательно ясна экспериментальная картина длинноволновых низкоэнергетических спиновых возбуждений в классических разбавленных спиновых стеклах и пока не будет найден путь реализации идей Дзялошинского и Воловика в микроскопических теориях спиновых возбуждений, было бы преждевременным полагаться на возможности существующих микроскопических спин-волновых теорий в деле выяснения концентрационных границ хаотических магнитных состояний при сильной степени пространственной разориентации спинов в системе.

Что касается магнитных сплавов с эффектами зависимости величин магнитных моментов от локального окружения, то несомненно, что феноменологический подход к учету этой зависимости и изучению ее влияния на магнитные свойства имеет полное право на свое существование наряду с подходами, учитывающими микроскопические механизмы такой зависимости. Настоятельной задачей в этом направлении является разработка такого формализма, который допускал бы учет максимально общей формы зависимости величин магнитных моментов от локального окружения при выводе выражений для наблюдаемых. Это способствовало бы выявлению более разнообразных форм зависимостей магнитных моментов от природы локального окружения.

Наконец, смешанные системы с конкурирующими одноионными ани-зотропиями в первую очередь нуждаются в разработке моделей анизотропных взаимодействий для промежуточного интервала концентраций, учитывающих хаотичность параметра анизотропии и ориентации осей легкого намагничивания для разных вариантов локального окружения выделенного атома.

В связи с последним заметим, что неупорядоченные магнитные системы в настоящей диссертации исследовались в рамках модельных гамильтонианов интерполяционного типа, т.е. гамильтонианов, не включающих такие виды взаимодействий, которые по симметрийным причинам являлись бы запрещенными для регулярных систем на краях концентрационного интервала. Однако, хотя глобальная симметрия решетки ( симметрия в среднем ) может сохраняться при изготовлении твердого раствора, локально она всегда нарушается. Это приводит к понижению симметрии локального окружения выделенного атома, что выразится и в эффектах хаотизации осей легкого намагничивания для систем с одноионной анизотропией, и в появлении недиагональных типов двухионных взаимодействий между магнитными соседями, таких, как взаимодействия, предложенные в /133/ для смешанного антиферромагнетика Fe. Со Ctq ( в дополнение к конкурирующему анизотроп-f X X ^ ному диагональному обмену )

Но,н = -Z {Kj (уШ/Ьр) ([ V Щ J на основе некоторых давних идей Эллиотта и Торпа /303/, или как анизотропный обмен Дзялошинского-Мории, вводимый для объяснения причин анизотропии некоторых разбавленных спиновых стекол /95,96/.

Несомненно, что эти новые дополнительные взаимодействия могут наложить решающий отпечаток на свойства сплавов в области промежуточных концентраций. Однако их включение в гамильтонианы неупорядоченных магнитных систем требует очень серьезной подготовительной работы. Во-первых, это требует четкого знания микроскопических механизмов, ведущих к таким взаимодействиям, и возможности их реализации в твердых растворах различной физической природы. Во-вторых, это требует тщательного вероятностно-статистического подсчета различных локальных атомных конфигураций, в которых возникают недиагональные двухионные или хаотические одноионные взаимодействия, чтобы в окончательные выражения для наблюдаемых они входили с правильными концентрационными факторами. В противном случае такое включение дополнительных взаимодействий может обернуться малоосмысленным увеличением числа микроскопических параметров задачи, которые впоследствии будет трудно извлечь из экспериментальных данных и оценить по порядку величины. В целом же разработка этого направления в теории неупорядоченных магнитных систем, связанного с учетом следствий локальных нарушений глобальной симметрии сплава и появлением дополнительных взаимодействий, представляется, хотя и крайне трудной, но очень заманчивой задачей ближайшего будущего.

И, наконец, заметим, что рассмотрение неупорядоченных магнетиков в настоящей диссертации шло сквозь призму модели локализованных магнитных моментов. Это вполне оправданно для диэлектриков или полупроводников, но в отношении металлических сплавов такой подход оправдан только в том случае, когда исследуемые сплавы близки к локализованному пределу коллективизированной модели магнетизма, т.е., когда согласно критерию Вольфарта-Роудса отношения абсолютных величин локальных магнитных моментов в парамагнитной области температур к абсолютным величинам магнитных моментов при нулевой температуре будут близки к единице. Тогда можно принять картину эффективного обмена между локализованными магнитными моментами и тем самым отчасти отделить проблему выяснения микроскопических механизмов, ответственных за формирование магнитных моментов и связующих их взаимодействий, от проблемы учета концентрационного беспорядка.

Однако, когда сплав, образуемый как смесь ферромагнетика и антиферромагнетика, далек от локализованного предела коллективизированной модели, тогда и вопросы генезиса магнитных моментов, и вопросы их кооперативного поведения в присутствии концентрационного беспорядка необходимо решать одновременно, исходя из первых принципов электронной теории. К сожалению, в рамках флуктуационной теории коллективизированного магнетизма попытки рассматривать неупорядоченный магнитный сплав до сих пор в основном базируются на крайне грубом приближении жесткой электронной полосы, которое явно недооценивает эффекты локального беспорядка. Поэтому корректный учет для сплава эффектов противоборствующих тенденций к ферромагнитному и антиферромагнитному упорядочению в рамках коллективизированной теории магнетизма, не говоря уже об учете эффектов конкурирующих магнитокристаллических анизотропий, сегодня представляет собой еще практически непочатый край работы.

XXX

В заключение я приношу глубокую благодарность проф. Ю.А.Изюм-ову, вместе с которым был мною начат долгий путь изучения неупорядоченных магнетиков, за всемерную поддержку моей работы и строгий суд ее результатов. Я благодарен моим коллегам из лаборатории теории твердого тела ИФМ УНЦ АН СССР - М.В.Садовскому, в соавторстве с которым был выполнен ряд существенных исследований, включенных в диссертацию, А.Кассан-Оглы, В.Е.Найшу, Ю.Н.Скрябину,В.Н.Сыромят-никову за неоднократные обсуждения затронутых здесь вопросов на лабораторных семинарах. Я искренне признателен моим ученикам и постоянным соавторам А.В.Заборову (УПИ) и А.И.Луканину (УрГУ), общение с которыми было и взаимно поучительным, и плодотворным. В доведении до конца численных расчетов я многим обязан В.В.Дякину, без математического искусства которого вычисление некоторых решеточных функций Грина было бы изнурительным и малонадежным предприятием.

На выбор темы настоящих исследований большое влияние оказал проф. С.К.Сидоров, являющийся одним из основоположников изучения в Советском Союзе концентрированных магнитных сплавов с конкурирующими обменными взаимодействиями. Я глубоко признателен ему за ту настойчивость, с которой он много раз привлекал мое внимание к этой интересной и важной проблеме. И я хотел бы принести дань искреннего уважения и благодарности А.З.Меньшикову, физическая интуиция и неустанные усилия которого сформировали современный облик отечественных экспериментальных исследований в этом направлении, за многолетний постоянный интерес к моей работе и ознакомление с текущими экспериментальными результатами. Наконец, я хочу выразить глубокую благодарность Л.И.Винокуровой ( Институт общей физики АН СССР ) и А.С.Ермоленко, знакомство с экспериментальными исследованиями которых по неупорядоченным магнетикам является для меня хотя и не столь давним, но тем не менее весьма вдохновляющим.

1., Mydosh J.A. Magnetic Ordering in Gold-1.on

2. Binary Alloys. Phys.Rev.Lett., 1976, v.37, N 7, p.450-453 /30/ Murani A.P., Tholence J.L. Spin Dynamics of a Binary Alloy

3. Glass Model. J.Phys. A, 1981, v.14, N 9, p.L377-383 /56/ Bray A.J., Moore M.A. Spin Glasses: the Hole Story. - J.Phys.

4. Field Theory.- J.Phys. A, 1980, v.13, N 5, p.1887-1895 /66/ Bray A.J., Moore M.A. Replica-Symmetry Breaking in Spin-Glass

5. Theories. Phys.Rev.Lett., 1978, v.41, N 15, p.1068-1072 /67/ Blandin A., Gabay M., Garel T. On the Mean-Field Theory of

6. Spin Glasses. J.Phys. C, 1980, v.13, N 3, p.403-418 /68/ Goltsev A.V. Stability of Parisi's Solution of a Spin Glass

7. Phase. Phys.Rev.Lett., 1981, v.47, N 5, p.359-362 /71/ Sompolinsky H. Time-Dependent Order Parameters in Spin-Glasses. - Phys.Rev.Lett., 1981, v.47, N 13, p.935-938 /72/ De Dominicis C., Young A.P. Order Parameters of the Spin

8. Revealed by Measurements of Neutron Spin Wave Scattering. -- Physica B+C, 1977, v.91, N 1, p.130-137 /155/ Hubbard J. The Magnetism of Iron. Phys.Rev. B, 1979, v.19, N 5, p.2626-2636156/ Hubbard J. Magnetism of Iron. II. Phys.Rev. B, 1979, v.20,

9. N 11, p.4584-4595 /157/ Hubbard J. Magnetism of Nickel. Phys.Rev. B, 1981, v.23,

10. N 11, p.5974-5977 /158/ Prange R.E., Korenman V. Local-Band Theory of Itinerant Fer-romagnetism. IV. Equivalent Heisenberg Model. Phys.Rev. B, 1979, v.19, N 9, p.4691-4697 /159/ Mathon J. Effective Heisenberg Hamiltonian for Itinerant

11. Ferromagnets. Phys.Rev. B, 1983, v.27, N 3, p.1916-1918 /160/ Wang C.S., Prange R.E., Korenman V. Magnetism in Iron and

12. Substitutional Disordered Ferromagnets. Solid State Com-mun., 1971, v.9, N 17, p.1521-1524 /229/ Fishman S., Aharony A. Phase Diagrams and Multicritical

13. Binary Alloys of Cobalt or Nickel with Elements of the Palladium and Platinum Groups. Proc.Roy.Soc. A, 1960, v.255, p.509-519264/ Cable J.W. Neutron Study of Local-Environment Effects in

14. Easy-Plane" Ferromagnets./ Balucani U., Pini M.G., Retto-ri A., Tognett U. J.Phys. C, 1980, v.13, N 20, p.3895-3902293/ Lukanin A.I., Medvedev M.V. Magnetic States of a Binary