Термодинамические и спектральные свойства неупорядоченных ЯН-теллеровских систем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

р 1 1 о 9 I

АКАДЕМИЯ ПАУК СССР УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ

на лравак рукописи УДК 538. 4/. 01 537. вх. 8» 330. 031 539. г

Ф И Ш М А Н Анатолий Яковлевич

ТЕРНОШШЛННЧЕСК1Ш И СПЕКТРАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА НЕУПОРЯДОЧЕННЫХ ЯН-ТЕЛЛЕРОВСКИХ СИСТЕМ

01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени-доктора «иэиго-матвиатических надо

Свердлове« 1090

работа выполнена в лаборатории теории растворов Института металллургии уро АН ссср

Официальные оппоивнты: доктор физико-математических наук ' , с.в.налоев.

доктор физико-математических наук Б.С.Ццкерблат,

доктор физико-математических наук Б. а. Пианов

Ведущая организация: институт физики металлов Уро АН ссср

завргга состоится

-М

'.«4.1980 г. о

часов на

заседании специализированного совета д oie. 37.01 rio физико-математическим паркам лри Институте металлофизики АН усср,проспект Вернадского, 36, конфвренц-зал иш> дн усср.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института металлофизики ан усср.

отзывы на автореферат просим отправлять по адресу: 252еао, гсп. киев, проспект Вернадского, 36, Институт металлофизики ан усср.

УченыП секретарь Специализированного совета

Я 016.37.01

кандидат физ.-кат.наук э.г.мадатова

pcis/t^'T'^'

отт ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. в фиэнко твердого тола традиционно большое внимание уделяется исследованию неупорядоченных спетом, в . том числа кристаллов с примесными цонтрани рпэлпчних типов. осоОое место в этом ряду занимает специфически!! класс во ¡госта. имиввдж в своем составе кони, основной состояние которых вырождено гто орблтальнону квантовому числу, т.е. ян-теллеровскнэ <пт> полы. Вследствие такого вырождения симметричная конфигурация атомов оказывается неустойчивой. а эффекты спин-орвптального взаимодействия проявляются в более низких порядках теории возмущений. в результате соединения с ЯТ ионами характеризухя-ся особенностями иелого ряда свойств: упругих, структурных, согното-электрическизс, магнитных я сверхпроводящих, сильное влияние на поведение) указанных неупорядоченных систем оказывает присутствие в них посторонних прннеевл и дефектов. Развитие соответсгвуклэдй теории представляет несомненны»" интерес как вследствие недостаточной изученности этого вопроса так и важности для практических применения рассматриваемого класса обьектов, обладающих многими уникаль- . ними свойствам».

Особенности поведения неупорядоченных систем с ЯТ ионам)! определяются во многом электрои-фононным изаннодействием. Это взаимодействие приводит к Эффективной межцонтровой связи, что является » концентрированных ЯТ системах причиной кооперативного структурного фазового перехода. В последнее время Выл достигнут зна'штельный прогресс в понимании широкого ряда свойств

кристаллических соединений с кооперативным Эффектом яг. В то жо время оставались неизученными свойства систем с малыми концентрат шин ЯТ центров, для которых такое взаимодействие приводит к снятию орбитального вырождения на ЯТ ионах. но кооперативный фазовый переход в кристалле не возникает. В таких разбавленных систамах можно было ожидать возникновения состоянии типа спинового стекла. Поэтому теоретический анализ поведения рассматриваемых систен должен учитывать возможность проявления в их свойствах закономерностей, характерных для стекольной вазы.

существенной особенностью неупорядоченных ян-теллеропских систем является сильная зависимость их свойств от наличия в .чих случайных низкосиммотричных кристаллических полей, эти ¡юля. свя-

зиннмс с нарушениям}« трансляшюнной; ия вариантности в реальных кристаллах, снимает частмчио или полностью вырождение на ¡г; цент-рак. характерны« даапезоа изменения дисперсии случайных полей

весьма ввлих ы «опот составлять от дзсктык дрлэп см-1 до сотен — *

ск . соответственно «ениэтсв и роль т. лих полей: от неоднородного цкжрени« форкьг реэонаниюго спектра в разбавленных системам с иаримагиитныки ЯПГ коками до подгвлвник страктиркого ят перехода в концентрированные ИТ системах. несмотря иа понимание важности учете случайных полш а отдельных задачах. систематический подход к рассмотрения их влияния на свойства неупорядоченных лт систем отсутствовал. Зто относится к анализу вида их функций распределения, сшшк&и величины дисперсии и вытекающим отспдя эакоксгарзюсткк для плотности состояний и термодинамических свойств примэской подсистемы, а такке для различных сечении рассошшя иэличакий рйссмйтриаазкынн кристаллами. Интерес к такого типе аадвчаи выходит за рван чисто ят систем. что определится сВвдк характером поведения о хлучайнцх полях различного ¡¡юда так называемых переориентирующихся центров я кристаллах (коцзктрггьнке ионы, пршзсныа центры в гантельных конфнгцраакях. пара типа примесь-примесь и примесь-вакансия. раз-иовалентии® пока одного здоиента н принеси внедрения в позициях с поникекноа симметрией». При этом ЯТ ионы являются наиболее простым примером геэреоризатируювдЬсся центров, допускающим последовательное описание н& основе микроскопического гамильтониана.

с точки зрения практических применений интерес к указанным объектам в значительной степени -связан также с возможностью управлять такими служебными 'характеристиками магнитных

диэлектриков как магнитная анизотропия и лагнитострикция с помощью легировашш ИТ ионами, при этой чрезвычайно важно было понять, почему одни и то не добавки в разных системах приводили к сильно различавшимся по величине, а иногда и яо знаку вкладам в указанные ссонства. примыкает к этому кругу вопросов и проблема поведения магнетиков с обусловленной примесными центрами конкурирующей анизотропией. Ввиду аномального вклада ят ионов в энергию магнитной анизотропии в рассматриваемых системах уже при малых концентрациях таких ноноп'моюно ожидать проявления целого ряда эффектов, связанных с то змо ж пост ыо существования промежуточных магнитных »аз. пско.'и.ных магнитных состояний и т.д. Оставались открытыми и вопросы !'ччч:м. гвнэангыр со спектром спиновых возбуждении в указанных ;ч'И11.х и особенностями их проявления в резонансных явлениях*

Цель работы, цель равоты состояла в разработав еистоиати ческого тооретичесхогп подхода к исследованию Зольеого класса надент! в неупорядоченных кристаллах с ЯГ центрами о юнрокан интервале концентрация, температур и дисперсия случанных чиэко-синмвтричиык полай, при этом наряда с основными всхсар&ин, определяющими поведение нт систем. - сильным внброкныи эза)гиодий-стоном, распределением случайных кристаллических нолай -уопы-ваотся специфические особенности хонкрвтлых сзкггеи, такие как симметрия кристалла, кратность вырождения, характер сшш-орбн-тального взанмодепствия.

В основные задачи днссвртошюиноП работы входило:

1. Исследовать поведение ансамбля вырожденных пе орбитальному квантовому числу центров а кристалла при цчатэ их аэаимодеПстиия иожд^ собой и с полем случайных деформация. Рассмотреть спв1ш$1гческие особенности Функция распределен»« ¡меэяосиммот-ричнык полей различной природы и размерности, яроанал^аггрошть влияние этик особенностей на тэриодмнакиносхие свойстве и спектральные характеристики указанных скетек.

2. Для магнитных неупорядоченных систем с ЯТ моиаки построить по следовательную твори» магшггокристЕляичеекоп анизотропии и кагии-тострикции, учитывающая реальную кристаллическую структуру, т.е. распределение ииэкосикмвт^ичныя кристаллических полов.

3. Изучить ряд вопросов, относящихся x теории спектров обьвкныж и локализованных возбукдонип s разбавленных ПТ твердых растаорах '.в том числе спектры нагиитногэ рэзокаиса в магяопках с ЯТ ионаиш .

научная новизна, научная .човизн® работы заключается в развитии последовательно« теории свойств неупорядоченных кристаллических систем с ЯТ »¡онаии. при; этом эпорвыо:

1. Исследованы термадннамичэскяэ свойства а:есам8ля взаимодействующих посредством обмена тойонами орбитапыю зырояденных принесиих центров, что позволило предсказать возможность реализации нового состояния - ИТ стекла.

2. папдонк функции распределения случаПнык пизкосиннетричнмх полвп деформационно».кулоновской и обмекноп природы.определявшее поведение двух- и трехкратно вырожденных ЛТ но поп н реальных ноукорядо-чеиных системах. Проанализировано влияние нногокомпо'тнтного характера указанных функции на плотность состоянии прмнёсных центров.

3. Показано с использованием1 полученных Функций-распрвделеЛия, что

Э

различного рода пвреорионтируювдося туннельные цонтры i включая (ГГ центры) в случайных полях деформация кристалла ведут себя при в:нз-кчх температурах аналогично обычным стеклам с двухуровневыми центрами. Изучено поведение теплоемкости и упруги.;: характеристик указанных систем.

4.» широком интервале температур,концентраций и дисперсий слученных полол исследован ряд спектральных характеристик кристаллических систем с пт центрики: затухание звука, неоднородное ушпренни спектров ЭПР, НИР, оптических спектров н др.

5. Разработана теория влняйия случайных полей па магнитокристалли-ческу» кубическую анизотропию и наглитострикцню магнатиков с ИТ нонами, объяснен ряд аномалий о температурной и концентрационной зависимостях указанных свойств.

о. ярадскаэано возникновение промежуточных магнитных состоянии (ijrj.oDux 1раз> в нагнотиких при палых концентрациях ЯГ iuih пероори-онтнрухщнхея цонтров. приводящих к появлению конкурируют^!! магнитной анизотропии а система, Исследованы фазопио' диаграммы таких мягнотиксв и им зависимость от величины дисперсии случайных нолей. 7. проанализирован спектр спиновых возВумденип в магнетики:; с коикурнруывдзя аишотропиап, обусловленной ПТ ионами. показана зависимость таких характеристик спектра, как наличие беекдалевой иода, анрина линейного участка в законе дисперсии и др. от характера фазовой диаграммы. НаДдоиы температурные и угловые за-витшетн частот сгмр и ое затухаши? для указанных слетим а ни-

магнитим:: полях. i>. исследованы нооые типм спектров локализованных состоянии для тфоыденных цонтров б магнетиках. Показано,что- такие спектры могут характеризоваться наличием дополнительных расщеплений по сравнению с чисто спиновыми возбуждениями дипольиого или кпадрупольного типа и нестабильностью основного состояния » мапиггнон поле. проанализированы особенности поглощения адектромагнитного излучении в указанных снстонах.

Ндучно-практичэскоа значение рлВоты. Развитая ь диссорта-шюниои раОото кихрослопическая теория позволяет выяснить достаточно широкий рил вопросов, относящихся к термодинамическим и сиенург-чьннм свойством неупорядоченных систем с (ГГ нонами. По-лучечир.'!! нрадетавлгчшя о поведении ансамбля вырожденных (пере-рнзя«•»¡■ij'csuixcM» центров d случайных низкосимнетричиых кристаллических полах дают возможность понять разнообразие магнитных,

б

упругим, резонансных н др. свойств конкретных'соедиг.онип, различающихся кристаллической структурой, характере» ят вырождения, дисперсией случайных поло П. предсказаны некоторые нопыо, рпиео неизученные эффекты. газультаты диссертации могут служить основой для объяснения и количественной интерпретации различных экспериментальных данных, полученных с помощью калориметрических, нсйтронографических, оптических, радиочастотных, ультразвуковых и других кото до в, но з рол я ют предсказывать тенденции в изменении магнитных характеристик при легирогвиин нагнитоупорядоченных кристаллов ионами с орбитальным вырождением.

значительная часть результатов, полученных в диссертации, к настоящему времени экспериментально подтверждена, это относится к различным резонансным (ЭПР,<»1Р.ЯМР>. оптическим свинствам, а также магннтоупругнм свойствам большого ряда oeppirrnux систем, частично подтверждены выводы о поведении туннельных переориентирующихся центров в случайных полях <v3Si:H . Сг2*~ в UgCrgSe^ и молекулярные примеси s кристаллах инертных газов).

Результаты диссертации использовались для оОьяспопия экспериментальных данных и стимулировали постановку новых эксперименте» в' кмф ЛИ УССР. )!<Ш Уро АН ссср. чмэико-техничоском институте АН УССР «.цоноцк), фпшт ah усср (Харьков), МГУ и других организациях, некоторые выводы теории епр требуют экспериментальной проверки.

Основные задпшденые положения.

1. В разбавленных кристаллических системах с ят нонами особенности самых разнообразных физических характеристик определяется многокомпонентными фукциями распределения случайных полей, с помощью полученных распределений удается проанализировать как термодинани-мнческие. так и спектральные ОПР.поглошршга звука.чмр.ямр и т.д. > свойства указанных систем в широком интервале температур, концентраций примесных центров и дисперсий случайных полей.

2. существенное влияние на поведение немагнитных' кристаллов с ер-витально вырожденными центрами оказывает взанмодействие между при-месянн,обусловленное обменом виртуальными рононлнн. за счет такого рзанмодействия оказывается возможным.в частности, возникновение новой низкосимметричной фазы - ЯТ стекла.

3. для примесных ЯТ ионов различного типа в кубичоских млгиатижах характерны большая величина констант и нетрадиционное поведение индуцированных ими магнитной анизотропии н магнитоогрикции. Случайные поля в кристалле с одной стороны уменьшают воличину ука-

зашюго эффокта. а с другой - восстанавливают традиционные углоича зависимости свободной энергии нашшнон анизотропии и нагнитоупру-го<1 энергии.

4. и кубических магнетиках с >тг и пореориентирухвдшися центрами, приводящши к появлению конкурирующем примвсноП анизотропии, су-игостьешго ионнютси нагнитные фазовые дилгрпнны, споктры спиновых возбуждений, температурные и угловые зависимости частоты Ч4«Р и ее уширетт, о та к reo ряд других свонсто ьеиэетва. в частности, оказывается ьозиожноя реализация промежуточных состоянии - угловых фаз с: голдстоуновскии типом спектров и сильной анизотропией скорости звуке магнонов.

t>. для спектров локализованных магнитима: состояний в магяотнкак с орбиталыш оирояденныни ионами характерно с одной стороны возникновения спектров нового типа, п с другой - дополнительное рвсидеи-лонно спектров локализованных возбуждений, имевших носто для орби-талыю невырожденных магнитных примесей.

АпроВация раСоты. Результаты диссэртпцни докладывались на слодуив/ис всесоюзных и международных конференциях:, семинара* и школа«:

всесоюзные конкуренции по магнатиэиу i Тула. 1авЗ: Калшнш, юао >, Всесопэное совещании по физике низких температур ( Ленинград, löuo >, Международные симпозиумы по эффекту Пна-толлера ( лкблнцо. ЧССР. 1963; Khsjwoo. 19Э9 ). Международная магнитная конференция (Цанкувир.Канада,1ЭйВ>. всесоюзные совещания по спектроскопии кристаллов, активированных ионами редкоземельных и перо-ходи м к элемента» (Свердловск, 1073; казат.. 197С; Краснодар, юта). испсаызные совещания "чмэичвсхио и математические методы в коор.кл-наиношюР химки* ( Кишинев, 1977 и юао ), осесоконые совещания по термодинамике! и технологии ферритов 1Ивано~<1уанковс!:, 1901, 19üq и г 4vi:i, ecccotohijö коисереншш по квантовом хинин и спектроскопии ■г&эрдого тела ¡Свердловск, юие н 1ЭйЭ>, всесоюзная конференция по тернодннаинхе и материаловедению полупроводников ( Косква, 1900 ), г-срсошяан конференции "Тройные полупроводники и их применение" <^||Ш11юв,10в7>, ьсесоюонея конференция по акустоэлектрснике и Ф1131гчоскои акустике твердого тело (Кчшинов, 1969). 1*сосоюзныП сени-Hiip 1ю анорфлому магнетизму i Красноярск. Ю7в >, зимняя школа по TooppTiiHdcco« ©иьике "Коурозго-22" ^свердлозск. IStiö), Семинар "Св-гнотемьгнетикн и магнитные полупроводники" (Москва, 190£>>, а также-

;v.!i04iie ct'Hiampu а нем УрО A4 СССР (Свердловск). ИНФ АН УССР

&

«Клоп», институт« хнинн АН МССР < Kniuuiion) и др.

публикации. основные результаты диссертации опубликованы в 32 научных раВотах, список которых прииэден в конце апто}:«®о--рата.

структура диссертации, диссертация состоит из виод.-шш;,семи глав, заключения и списка иитированной литературы. .пнссертммя содержит 331 страницу основного гэкста, ",'1 рисунок, б тавлии. список цитированной литературы включает 203 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

во ииедэщщ обоснована актуальность гомы, указана цель работы, охарактеризованы основные результаты работы, их научная и практическая ценность, раскрыта структура диссертации.

D первой глава (раздел 1.1) оОсуидаются типы систем с поре-ориентирующимися центрами, т.е. центрами с несколькими эквивалентными минимумами потенциальной энергии, ян-толлоропскно ионы являются наиболее яркими предсташггедяки этой группы, т.к. петрзчаюгея в широком классе соединений переходных и редкоземельных элементов и допускают сравнительно простое описание на основе м!«роскп1!нчес-кого подхода.

В раздела 1.2 рассмотрены термодинамические свойства систомы взаимодействующих ПТ примосей в кристалле при низких температурах £7}. В таких системах, как изеосгко, может иноть место кооперативный переход, если концентрация ПТ ионов превосходит нокоторуп характерную неличику, нзмоняютуюск обычно в пределах о. 4 - o.a. Дли исследуемых систем предполагаются значительно меньшие концентрации HT центров хЯ|.<<1) - В таких разбавленных растворах взаииодействие между ят центрами.обусловленное обменом акустическими «оионаки.является знакопеременным и спадает с расстоянием как R-3.

Если ограничиться рассмотрением ЯТ примосей, основное электронное состояние которых двукратно вырождено а кубический или тетрагональном кристаллических. полях, эффвктивный гамильтониан взаимодействия вежду примесями мояет быть продета влей в виде

Н = £ - асоз-^хх^х,

га.ю

К2пК^ +

п,т

здесь индексы п.ш нумэрушг ЯТ центры; Х^ и Х2 - орбитальные опора -торы, отвечающие представлениям В^. в,, в группе или проекциям ,с Е-продставаения группы О^ ; УХ и V - параметры пибронного

взаимодействия; к , е и » ■ пш гш ш>

тора.

сферические координаты радиус-век-соединяювдэго приносные центры п и т ; р - плотность кристал -

ла; в - скорость звука. Выражение (1) для простоты записано в о

приближении изотропноЛ дебаевскол подели.

термодинамические функции приносной подсистемы выше некоторой температуры были получены с поношыо вириалыюго разложения по степеням концентрации. В частности,для ИГ центров с тетрагональным Е-термом соответствующие вклады в теплоонкость С.магнитную восприимчивость х и упругий модуль К епнсыьаитск выражениями

АС =. метт0/тв X = *0<1 - РТ0/Т), ДК = -НЯТ7"Ц - А^/П/Т,

*о = «яг^БИ)2/Т, То - п^лр.ф.

(2)

где - магнотон Бора, в - в-<}актор. яят и п)1Т - число ЯТ центров и их плотность, р и ¡1^- некоторые константы порядка единицы, при температурах порядка Т вириальное разложение становится расходящимся. По-видимому,в рассматриваемых кристаллах с ят примесями при низких температурах происходит переход в нсэргодическое состояние, которое но аналогии со спиновыми етеклани новет Снть названо ят гтеклон. В этом состоянии каждый примесный центр характеризуется тчллке определенными смещениями блялайтлх к нему лит видных »юно», звлвнммш) глучлнным распре до пением остальных принесен. При этом "р.-дьчч» >нач1?11ие деформации по кристаллу остается равным нулю.

Н01ч>дв!П1э ансем5ля ят центров в низкотемпературно!! фазе

Ю

рассматривалось о приближении молокулярного поля. пункция распределения молекулярных полей с(Н) , полученная дли ЯТ ионов с нзннговскчм взаимодействием, имеет лоронцеоский вид с знрпнои. рапной т , при температурах т « TQ. где введение томпсратурно независимой функции ц(11) можно считать оправданным, были получены следующие асимптотические разложения

лс - ыпгт/го, х ~ jrot[incro/t) -i g ]уео. ¿к ~ - n)1tv2/to.

гдо Q - константа ьорядка единицы■ Указанные зависимости характерны для состоянии типа спинового стекла. использование Функции я(Н) при температурах ТДля расчета термодинамически»: величин припл-дит к результатам, аналогичным выражениям (2).

Гаким образом.даио качественное описание поведения термодинамических характеристик системы взаимодействующих ЛТ центров я широком интервале температур, за исклюпшшвм области температур »Слизи точки возможного фазового перехода.

впоследствии возможность образования ÍTV стекол d родкоземель-ных соединениях со структурой циркона рассматривали Mohron V. и Stevens X.W.H. (1082)- Качественные ннооды их работы согласуются с нанижи результатами. С участием утих же авторов в эда-нсслеяоианп-их системы : (х=0.01-0.15) 8ыли обнаружены при низ-

ких температурах замороженные (статические) -деформации, обусловленные косвенным взаимодействием иопоо Т<п3+.

но отороп глава диссертации исслвдуотся поведение ансамбля ЛТ центров в случайных ннэкосиммвтрччных полях, вызванных дефектами кристаллической структуры. Указанные низкогинметричные кристаллические поля наряду с косвенным взаимодействием ят центров через Фоионы приводят к снятию вырождении на примесном ионе. Характер Функций распределения случайных полой определяет особенности низкотемпературного поведения термодинамических свойств ИТ систем и Форму неоднородного уширения различных спектров поглощения в них.

В разделе 2.1 анализируются однкиии распределения случайных полей различной природы: деформационных, кулоновскнх,обменных. Особенностью указанных функций является их многокомпонентный характер, обусловленный вырождением примесного центра. Гамильтониан взаимодействия вырожденного терма со случайными полями инь от вид

где hp^ а~ компоненты случайного поля на центре а, - орби-

тальныв операторы, определенные в пространстве Функции вырожденного терма и отвечающие неприводимому представлению Г точечной группы, fj - строка представления Г . Обычно величины Jy^ ^ могут йыгь представлены в вида суперпозиции полей, вызнанных разными источниками. Так з случав полей деформационном природы компоненты

Ч 'м о Рав11Ы

= Уг „Е1 ' <5)

Л» JL

где индексы 1 и и нумеруют тип источника деформационного полк и его положенно в кристалле, Ojl"1^ - деформации на ят центре, зыэ-паииые этим источником, Vp - константа ИТ взаимодействия с тетрагональными <г=Е j si тригоналышми деформациями, c^j - числа заполнения. Многокомпонентные ©уикции распределения f(Ь) <||=Й({у. )) могут Рыть получены с использованием конкретного закона спадании случайного поля но мере удалении ого от источники

f(?.> = U/M^JE П П ~ ьг ) . - (6)

в Г fj

гдк черт!» над формупоп означает усрЕДнеииа по конфигурациям источников поля. основное ышмаииг в раздело уделено анализу Функции pactipo деления для полей деформационно!"! природы, связанных с двумерными тетрагональными ,еЕо>еЕ<с' 11 с тРв*м°рними тригональ-иынн <е . ,.ет ,е.„ ,) деформациями, показано,что при малых концен-2* 2

трациях источников таких полей (х^«1) функции f(a) для изотропной среди ичпкгт лоронвовскиП характер Ц4-1В]

f(hEt)'hE£:) = (2")'1r(h2 + rZ)"3/2, •

г. ¿ ¿.

. 2 _ — . 2 i- r i- .„1 tfv >

h -^v^p/r'r xi¡vr v

где v - оСъем элементарно»! ячейки, о - ксаффнциинт Пуассона.

указанный вид однкшт f(?i) сохраняется для доформашш со^ , где

деформация на узлах. Олия>аишн:£ г. исючцнку. :1ри е.>и , чго инечт

С''.тчеемт смысл при концентрациях источником х.к >1 (г - коирпи-

1 о о

t ИГК'НЯОС ччело для блняшнши: к nr7J4HMKjj ПОЗИЦИЙ! .функции распре-;.• 'rain ii>i.íkoci:mm(>iричных по;.е-и мнеет глусгаькци вид (14-1<>]

(7)

ffhgg.hg.^) = (ГГД2) ^xpl-h2/^2}, Д.2- xe^

i( 1ц. h™ .„,h.P .) = (я1/2л )~3ехр{-Ьй/Л2), Х2Г 2'

Оценки показывают, что в зависимости от величины Vr ~ (102 -104) см-1, мощности дефектов <»v/<Sx, и их концептрашш диапазон изменения дисперсии г оказывается восьна широким - от десятых долой см-1 до дасятков см-1.

Аналогичные результаты полумены и для случайных полон, обусловленных нарушением трансляционной инвариантности в систоме с разнсвалентными ионами. Доминирующий вклад в дисперсию таких полой вносят зпряд-квадруполыша взаимодействия с ЛГ ионами: r,~q'i<r2>/v.

о 1

где <г*">- сродни« кпядрат радиуса элоктронного состояния,q - заряд электрона, существенно другои вид нмоют функции распределения для случайных нолей оомошшй природы в магнитных диэлектриках с ят нонами. короткодействующий характер обменных сил в этих системах, гдо соседями нт нона могут оказаться ионы разных типов, приводит к распределению дисгрятного вида [15J

«•te».1**) = S - ■be>*<hEe - J3oho> ■ <0)

ra.n

где ш.п - целые числа,а величина hQ определяется различием обменных связей ИТ центра с двумя типами магнитных ионов из ВлижаПшого окружения.

В раздело 2.2 на примера ЯТ ионов нсследугтся термодннамичес-кно свойства переорнантируювд«£СЯ центров в случайных полях. Основное внимание оОрапцгно на туннельные центры с несколькими эквивалентными минимумами потенциальной энергии, при этом по сравнению с двухуровневыми центрани в обычных стеклах исследование поведения ПТ ионов о случайных кристаллических полях но связано с рядом проблем двухьлмноп модели. В частности, в рамках микроскопического подхода иогут быть ранены вопросы о ввлнч1ше констант связи нт центра с деформациями, а также о характере зависимости плотности состояния от энергии и параметра туннелировання. В указанном разделе рассмотрены случаи систем с двукратно (Е-тпрм1 и трехкратно П'-торн) вырожденными ят нонами в октаэдричвскоП координации {17, 20J. Минимумы адиабатического потенциала для этих'центров отвечают тетрагональным <Е,Т-термы> или тригональнын (Т-терм) искажениям октаэдра лигандов,окружают»« нт ион. Если случайные деформационные

поля достаточно велики.т-е. дисперсия этих полей г превосходит параметр туннелнрования между нюшмумаки. то примесь будет в основной находиться в одном из указанных минимумов <трох тетрагональных шш четырех тригональных). Однако, среди псепозмозшых кон-ФпгурашИ! случайного поля имеются такие, которыо оставляют вырожденными пли почти вырожденными два никашиих минимума, даже если абсолютная величина деформации не мала <Ь - Г). Указанные кон<рнгу-рашш приводят примерно к постоянной плотности состоянии ц(Ь') в области энергии ¿^.«К« Г £173- При этом в теплоемкости доминирующей в области температур ¿,<<'1'«. г оказывается слагаемое, линейно зависящее от температуры: лС - х^/Гя (В=0). где ко(К)=в(К,лт=0). Поскольку при малой концентрации источников случайного поля ширина распределения г^ пропорциональна х^, то в случае, когда источниками этого поля служат сами переориентирующеюся центры, плотность состоянии и теплоонкость о указанных областях энергий и температур перестают зависеть от концентрации центров. Однако ширина

области.где наблюдается этот Эффект.линейно зависит от х .. в об-

».1

ласти же энергии Е>Г плотность состоянии падает как 1 /к для ло-ренцевской пункции распределения <7> и экспоненциально для распределения гауссовского типа <0>. Теплоемкость в результате оказывается при Х>г пропорциональной 1/т или 1/тг". соответственно. Аналогичное теплоемкости поведение имеет место и для коэффициента теплового расширения [23].

Для упругих модулой Ь рассматриваемых системах харахтерно максимальное разнягченио при Т=;ОК. медленное возрастание с темпера-туроп при ТсГ,а затеи выход на асимптотическое значение,соответствующее идеальному кристаллу.

Ьсследопако влияние туннелиропанпч на рассматриваемые характеристики систем с переориентирующимися центрами. Показано, что в области энергия КЬД^. происходит существенное изменение поводепия плотности состоянии: ,-;(к) оказывается пропорционально!! К при К<лг .достигает максимума при К=(2/3)лт с характерной шириной пика -л^/г.п затеи выходит на рассмотренную ранее асимптотику со слабой зависимостью а(К) от зиергии при д^ < К < Г (см. рис. 1). В результате для Т-сЛ^. имеет место кзадратмчная зависимость теплоемкости с от температуры.

работе подробно рассмотрены системы, гдо под действием I !< 1 рагоилш.иого возмугдрнич происходит сильное расщепление трех !<М1\",Г.Щ1.-1М1ЫЧ минимумов ад1ш5атичаского потенциала. при этом, к.-ч-дл снизу сшаэыьаетсй двукратно вырожденное сс-тояние.двухъянньш

характер потенциала сохраняется лишь до критического знпчошш ли раметра тетрагонального еозмушршш. О известной степени указанные центры являются аналогом модели карповл-клннгера-нгнатьова (ККИ). полученные для таких систем результаты позволили,в частности, описать спектр энр ионов Си2+ в кристаллах К,,/.п, Си К. .

рис. 1. плотность состояний переориентирующихся центров в в случайных деформационных полях, п. случаи дг= 0; Ь. область малых энергий < Н«Г >. Д^х О.

п разделе 2.3 проведен анализ поведения плотности состояния и термодинамических свойств ЛТ центров с двукратно выроиденным основным состоянием в динамическом пределе эффекта ЯТ . Существенное внимание при этом уделено ЛТ ионам с тетрагональной симметрией,для которых характерно взаимодействие сразу с доумя (в^ и невырон-деннымн деформациями [15,16]. варьируя параметр \ = \Л()/VГП^) . удалось проследить соответствующую трансформацию плотности состояний от типичной для изинговских систем при \=0,когда д(К) являотся постоянной в области энергий Е<г, до характерной для динамических пт центров с туннелнрованием - с в(Е)-К при Е<хг (Х<1). найдены температурные и концентрационные зависимости термодинамических свойств рассматриваемых систем при произвольных' значениях параметра \ [16].

Рассмотрены также термодинамические свойства кооперативных пт

«

С! :тем в слученных полях, в рамках теории нолекулярного поля ис-

слвдовано влияние случайных полей различного типе на концентрационные зависимости температуры структурного фазового перехода, теплоемкости и упругого модуля 193- проанализирована возможность подавления кооперативного перехода случайными полями,что наблюдалось

для системы Тт. ' Ьи УО. •.

1-Х X 4

полученные в работе результаты стимулпро вали постановку экспериментального исследования по влиянию водорода на низкотемпературную теплоемкость кристалла \fgSi: Н (Иванов и.л. с соавторами. 1966). был отмечен заметный рост теплоемкости при уменьшении таите мл ературы в «власти ниже /температуры сверхпроводящего перехода, такое поведение связывалось с дисперсией энергетнчоских уровнен водорода в случайных ниэкосимметричных полях. Характерное дд.., переориентирующихся центров поведение теплоемкости наблюдалось также в системе НеСг^Бе^ с разновалонтными ионами Сг [22] и для молекулярных примесей в кристаллах инертных газов.

Результаты этой главы получены в пренебрежении эффектами косвенного взаимодействия между орбит алыю вырожденными центрами, чго является оправданным при выполнении условия

п,,т|УК1 (Р^Г1 << Е ¿у/^]V'1 (0/(1-е).

1

тем не менее ¡было .наказано.что в .широком интервале температур рассмотренные свойства -аналогичны свойствам .систем стекольного типа.

В третьей главе исслодуктгся различные спектральные свойства системы вырожденных центров ь случайных иизкосимнвгричних полях. При этом, в отличие от термодинамических свойств, рассматриваемые эффекты имеют место вне зависимости от того, вырождено основное или возбужденное состояние.

Ъ разделе 3.1 проанализировано поглощение низкочастотных упругих колебаний в кристаллах с двукратно вырожденными в основном состоянии приносными Петрами [8]. Развит подход,который позволяет с использованием метода двухвременных гриновских Функций исследовать затухание фононов на вырожденных или квазивырожденных состояниях. в рамках этого подхода удается естественным образом разделить механизмы резонансного и релаксационного поглощения звуки т центрами в кристалле со статическими полями деформаций, вызванными хаотически распределенными точечными дефектами. Проведен анализ относительного вкпада обоих механизмов в поглощение упругих велн и найлоны температурная, частотная и концентрационная зависимости последних, показана, в частности.что поглощение упругих колебания в »-истинах. где растеплением нижайшего вырожденного состояния можно

нриноброчь, оказывается пропорциональным квадрату частоты и но за вис»гт от температуры (в отлична от классического рэлеовского закона, где затухание пропорционально и4 ). Аналогичные результаты были получены малоевым С. В. с понощью развитой специально для такого случая диаграммной техники. В общем случае затухание упругих воли, обусловленное как резонансным, так и релаксационным механизмами; существенно зависит от энергетического распределения нижайших вибронных (связанных электронно-колебательных) состояний ят центров в поле случайных деформация, температурные зависимости поглощения носят немонотонный характер, что связано с наличием двух механизмов поглощения и нескольких каналов релаксации.

D разделе Э.2 рассмотрено неоднородное ушироипо спектра эпр ян-теллеровск?« центров в тетрагонально искаженных кристаллах. Экспериментально такие спектры наблюдались для ионов Си2+ в к ZnK..

<£ 4

Анализ спектрального распределения указанных ионов, связанного с полями случайных деформаций в кристалле, был проведен в работе C19J- показано, что при низких температурах, когда обратное время релаксации дьухуровнооого центра r_i(rj меньше частоты ЭПР,наличие трех линий поглощения в спектре связано с Эффектами туннолирования приноси между двумя нижайшими минимумами адиабатического потенциала. Центры с энергией расщепления в поле случайных деформации Ц(Й)<лт приводят к появлению в спектре линии со следующим эффективным g-фвкторои:

e(1)=S1+Cl/z)e2Slen{-VKJCoa90(2«2 - rfj - <фс1-зе -1/2

где gj и в2 - изотропный и анизотропный параметры g-тензора, ct^ -направляющие косинусы магнитного поля, ® - точка минимума адиабатического потенциала W(»)- эта линия отвечает центральному пику поглошршш. Центры, у которых КсИ)»^ .определяют две боковые линии поглошрния со значениями и(2 .отвечающими состояниям в минимумах адиа0ати»геского потенциала:

В(2.Э)= etl)± цЗ/г^Вше^ - - fC

Характерные спектральные распределения интенсивности поглощения

представлены иа рис. 2 для разных значений Параметра j^ZTStn.» /¿т.

-1

с ростом температуры (И соответственно _ величин т <т) и д^.<т> > происходит динамическое сужение спектра поглов/вния.т. в. перекачка интенсивности от боковых пиков к центральному, полученные та'-чн образом результаты достаточно хорошо согласуются с экспери-

Н0НТОЛЫ1КМИ данными. Развитая теория ножот быть легко обоОшрка на случай косвенного изаимодепствия не иду ЯТ ионами через фононы, по крайней мере, в области температур,где функции распределения ноле-кулярных полей и полей.связанных со случайными деформациями, имеют одшшхопый вид.

.( ' С < 3 о

) о

и О 1 о г-'о

I

Рис. 2. спектральное распределение интенсивности поглощения.

В разделах 3.3 и 3.4 рассмотрен ряд других примеров неоднородного уширвиня спектров примесных центров с вырожденным основным шш возбужденным состоянием, чсследопаны спектральные распределения дли частот оптических переходов, локальных колебании, частот электронно-ядерного и квадруполького резонансов. Показано,что форма указанных распределений существенно зависит от типа НТ активных дрфорклций,формы и ширины их функций распределения, обсуждены экс-перим&нтальные данные, подтверждающие наличие для плотности состоянии вырондеиных центров в случайных полях интервала энергий к с г, Iде плотность состоянии оказывается постоянной 1в(К)=СошзЪ).

В ч>'1 гг-рюн главе рассматриваются особенности поведении НГ. иочов I» н и нчтных кристаллах по сравнению с немагнитными кристал-|.чни рагтчиенм!' орбитчльнэ вырожденного состояния в магнетиках

существенно зависит как от дисперсии случайных полой, так и от I* личины обменных поле!, на ПТ ноне и и; направлений. Основное внина-манно в данной главе обращено на исследование магнитной анизотропии и магпитоупругих характеристик неупорядоченных кристаллов с ЯТ центрами.

В разделе л.1 рассмотрен вклад ЯТ ионов в магнитную анизотропию кубических магнетиков. Аномально высокая величина этого вклада в энергию магнитной кристаллографической анизотропии обусловлена тем. что константы одноиоиной анизотропии для орбитально вырожденных центров пропорциональны х или гДо х - константа спин-орбптального взаимодействия, а параметр кристалличоского поля. <Лля орбитально невырожденных поп о о константы анизотропии пропорциональны п .) В результате угловая зависимость свободней ) куи

энергии магнитно!» анизотропии ЯТ центров не описывается с помощыо традиционного разложения по инвариантам при первой (, второй (Ь->) и далее константах магнитной анизотропии

где ct^- направлявшие косинусы намагниченности. Кроме того, энергия анизотропии ПТ подсистемы сильно зависит от наличия п кристалле случайных низкосиммотричных кристаллических полей.

В диссертационной работе выполнен детальный анализ влиянии случайных полой на магнитную анизотропию кристаллов, содержащих яг ионы с основным Е^-состоянион [13,181-Усреднение свободной энергии по различнын конфигурациям случайных полей проводилось с использованием полученных ранее функций распределения. Показано, что описание энергии магнигиоп анизотропии с помошыс разложения (10) .становится возможным лишь при достаточно сильных случайных полях с дисперсией г, превосходящей величину параметра сдноионной анизотропии нт нона I) , Такие поля, снимая орбитальное вырождения, приводят к уменьшению вклада ЯТ попов а реэуч.ътирующую анизотропию системы. Исследованы продельные» случаи динамического и статнчег.ко-го Эффектов ит и показано, что характер поведения обусловленной ит центрами первой константы анизотропии при изменении темпом гуры и дисперсии случайных полги ь обои:: случаях одинаков. :>н«к и величина этой константы определяются соотношением между шириной расчро-деления случайные нолей Г параметром молекуляршн о обменного но

(10)

Jlsi ГГ Ua Fit ilO'HfiS. "fa* при Низ*Их температурах, когда Т«г.Н

сХ 6Х

fir ионы вйосйт ьледуййлй в*лад в константу к^ в пределе статнчес-*Of-o' эффекта fit: Лк^ ~ xm.D3(-l/Hex+ OA), где в - константа порядка единЮХы. таким образом величина Ак^ оказывается положительной при Г<ЙНех и отрицательной при г>ВНех-

Развития подход был использован затем для расчета второй кон-t+ййты анизотропии кубических магнетиков с ЯТ ионами и вкладов более высокой порядка по спин-орбитальному взаимодействию в первую кОНс+акту. При этом значительное внимание уделено яТ ионам с трох-краТНО вырожденным в кубической Кристаллическом полб основным состоящей (Т-тёри>,энергия m стабилизации которых превосходит параметр стЫ-а(зВиталЬйогс ЬзаимодоЙсТвия. Рассмотрены случаи домини-pyfcinatu взаЫкодеВсТЬий t-терйа как с Е . так ист- колевяшиями.

полученные й этой разделе результаты позволят также оценить hi;ridд в зйергЦ» kaftlHTiidfl аЙйзотропйИ переориентирующихся центров, ofipaaOfaaiiHfcix г1врййоьой липшего электрона или дырки на примесном

проВёдййнои cfjatoifeHHs разбитой теории с экспериментальными ДЙЙЙШШ ДйМ $epputtikx систем t flr ионами Ье2+,Мп3+ и др. показываем их качеь+ьеимоё ьсю-гьатм-ьиё.

Ё рййДУйв 4.2 tiiCfcHbtpetiU йагннтострикционниэ свойства куби-iliStfttbr ШНШ+НМзв к Ш ИОШНИ- сильное влияние таких ионов на маг-ИНТОНрМКЦиИ fttJifctfiJUM оВусЛоблеНо линейным взаимодействием с де-фЩШцШмИ Й оЬНЬШЬЙ ЬЬсТЬянии. D результате при заданном направлений hakart)ii4bHllbcTH сПиЙ -орбитальное взаимодействие снимает вы-рсАдёнЦе с экЬИЬаЛейтЙЫ* ранее направлений локальных нт деформаций, 41 а .Приводит fc Ьагнитострикционному искажению кристалла. BfcJisU flf HbtlOB в kOHCTeMtbi магнитострикпин в отсутствие случайных Пйлей fciiBtSU ho Корана ВвлИчиИы яяге0 , где eo=|Vr|/(KpV) - харвк-тйрнай-ййкадьння нт Деформация. Кр - упругий модуль для деформаций сИкйётрйИ Г. ft ДИсСерташМнной работе показано,что знак примесного вклада В койстйн+ы магнитострикции х^^^ и сои,алввт со

знакой fll ie^ttolillM, ььли соотЬетствуюира направление ([111] или С100)) йВлйо^сЯ Лвк-КНИ Для намагничивания примесного центра <т.е.. еЬлй ЙИЙМ^Й йдИАба+И^еского поТВЙЦИала с направлением искажения, cobiia/tafcmW* С btLb Й&йагНИчвниости.оказывается нижайшим по сравне-kilb С дрУгйКсн) [21,24]. В случао трудного направления знаки ло-кАМ.йои ЙТ дэфорйации й Магнйтосгрикции должны быть противоположным.

Характер угловой зависимости примэсного вклада в иагнито-

стрикцию оказывается различным для центров с динамически« и схати-ческии эффектами ят. Например,дпя кристаллов с двукратно вырожденными динамическими ят центрами магиитострикционные деформации при низких температурах (Т<|Е>1 ) равны 1253

е££.=(Х°100^хлтеоС1яг.{У(1Л>}(Л-З^й>)1/2)(- 1)/2 , о

(11)

где - константа магиитострикцци матрицы. Э случае .етртнчес-

хого зФФекта ят на рассматриваемых центрах могут иметь место д.идаь тетрагональные деформации, причем .каждый из трех уровней днеРТ.ии оказывается нижайшим в определенной области углов намагниченности. Переход нанагннченности через границу указанных областей сопровождается нрн низких температурах скачкообразным изменение^ типа тетрагональной деформации на ят ионах, то есть примерного вклада ,в магнитострикшт.

ниэкосииметрнчныо случайные поля, всегда присутствующие ,в .реальных системах,как уяе отмечалось» снимают частично или подаость^о вырождение на ЯТ центре. При этой если дисперсия распределения случайных полей Г меньше, чем обусловленная анизотропией В (рпин-орбитальным взаимодействием N. ) характерная энергия расщеп^еинр вибронных уровней,то случайные поля оказываются сувдэствешшми дить при некоторых поправлениях намагниченности, .когда нижпишее состоя-' ние окаэывется почти вырожденным.

Если не параметр г»|о|, то результирующий вклад ят центров .8 магнитоупругие характеристики уменьшается в туг раз (при Т<г>. однако. и в этом случае результирующие величины констант магнито-стрикцим и мпгнитоупругих констант намного превосходят гоотвотсву-«лпие значения, характерные для орбитально невырожденных поной. В результате даже малые концентрации ят попов в кристаллах могут определять величину и знак рассматриваемых констант. характер Функции распределения, ее поведение в области малых случайных полей определяют низкотемпературную зависимость указанных свойств, с по-зыкением температуры, ксгда т>Г, происходит уменьшение примесного вклада в упругие и магнитоулругяе характеристики.что может вызвать иэменэнне с температурой (как и в случаи магнитной анизотропии) знака суммарной магнитострикции кристалла.

проведенное в работ«: сопоставление теоретических результатом с экспериментальными данными .по поведению иэгннтостригции пяла Ферритных систем с ЯТ ионик ■ ( Ке2'и т.д.» показало

и:; качественное соответствие.

Пятая г ава посвящдиа исследованию свойств ят систем с конкурирующей анизотропией, обусловленной наличием двух типов легких осей <одиа - для спинов матрицы, другая - для НТ центров). Рассматриваются кубические магнетики с яг ионами группы железа, основное состояние которых двукратно или трехкратно вырождено в кристаллическом поле, особенностью указанных центров,как уже отмечалось,являются аномальные величины констант анизотропии и отличный от традиционного вид угловых инвариантов в энергии магнитной анизотропии.

В разделах 5.1 и 5. 2 исследованы низкотемпературные магнитные состояния указанных систем. Показано £26,27].что с ростом концентрации йт ионов в магнетика мсжет иметь место переход от одного типа легких осей к другому через промежуточную спиновую конфигурацию. 1 отвачахлцую углоиоя фазе (УФ), аналогично другим систенан с орнентапионными фазовыми переходами . Рассмотрена зависимость типа Фазовых превращений от характера Эффекта ИТ (динамического, статического) на вырожденных центрах и величины отношения первой и второй констант магнитно« анизотропии кубической матрицы, показано, что случайные кристаллические поля существенно влияют ни свойства промежуточной уф.

Для различных типов исследуемых систем построены фазовые диаграммы, получены выражения для критических концентраций и температур. так, например, для магнетиков с НТ центрами,основное состояние которых дьу»ратио вырождено,Эффекты,связанные с конкурирующей анизотропией, имеют место лить в случае отрицательной первой константы анизотропии матрицы к^ (если |>>||). При к^-0 (рис. За) оба перехода в-УФ является фазовыми превращениями второго рода, а р&ь ноаосные направления нанагничонности н границы уф х^(Т) и х^СГ) в пренебрежении случайными полями определяются следующими уравнениями

П = (1- 3£(Й))1/2, хКрнт= (2/3)|к1|Д30, "0= 2|1)|а(Б-1/2)/3,.

<12)

где 1/ -параметр уф. х^. ^.верхняя граница области уф при t-.uk . о^-максимальная величина расцепления орбитального дублета полем анизотропии. заданной концентрации в уф отвечает определенное аначенив параметра гс-х^..так что имеется непрерывный набор направ-

леиий намагниченности й, удовлетворяют»«; уел о пи» >}{Й)=т}. Э результате такого сыроядения по углам в системе деляна иметь коего Звс-шрлевая мода во пеон области существования Уф. При К^О (ряс. ЭЬ) вид фазовой диаграммы существенно меняется. В частности фиксируется плоскость поворота магнитного момента: при вектор Й с ростом поворачивается в плоскости (110) от оси £1113 к £110]. а затем п плоскости (OOl) от оси С1Ш1 к 1100]; при к^<0 врашрнио происходит лишь в плоскости (110) от направления £111] к C001J. кроме того происходит снеиа типов фазовых превращений. появляется дополнительная фаза с легкой осью £110) при к^>0,оСлисть существования которой расширяется с увеличоииэн константы к„ ,

Т, отн.ед.

Т, о/пн. еД

Рис. э. «базовая диаграмма системы, линии фазовых превращений первого и второго рода обозначены соответственно прерывистой и сплошной линиями, а. к2=0, Ь. О; А- 0.5(1) ,2.0(2).

Полученные выражения для температуры и концентрации трихрити-чоскнх точок «а и а' на рис. ЗЬ)

(13)

ТоАо= {Ч0С(1+А)/1А| - >)0/3]/2}1/2. .j0= 3/4-Sjgnfk2)l/4,

xQ= -I2( |k2|/S>o)^/2t(l+A)/|A| - >го/ЗГ/2/9, А- к2/(3^г)

позволил!! оценит», созможиыи температурный интервал области существования уф. лля такич ионов.как нп3+,Ке2+.cr2' он может составлять десятки 1 рздусов.

В разделе в. э исследованы магнмтострикцхошша эффокты в рассматриваемы v 1 .гнетиках с конкурирующей «шиэотропией [25]- Проанализированы концентрационная зависимость и характер магнмтострикци-онкых деформаций в магнетиках с двукратно вырожденными ЯТ центрами. Показано,что магннтострикционныо эффекты приводят к иэрс<норми-ровке параметров анизотропии как у примесной подсистемы, так и у на грины,а,следовательно,к изменена» и критических концентраций,оп-ределяю»,их область существования УФ- магнитострикционная деформация всего магнотике в УФ оказывается пропорциональной концентрации ЯТ ионов и не меняет своего знака во всей области уф.

В шестой глава рассмотрен спектр низкочастотных спиновых возбуждений кубичоского магнетика с яг ионами.

Раздел в. 1 посввшш анализу особенностей спектра иагконов в системах с конкурирующей анизотропией в отсутствие насышдющих внешних полей [29], Для ферромагнетиков с двукратно вырожденными ЯТ ионами найден закон .дисперсии спиновых волн, ого концонтрацнон--ная и температурная зависимости. Показано,что в случав примесей со статическим Эффектом ят спектр магнонов характеризуется конечной величиной ирли за исключением узких окрестностей точек фазового перехода второго рода из уч> в фазу с легкими осями [ООН млн lltOl -типа. В случае примесей с динамическим Эффектом ЯТ б уф возникает басшалевая мода (в пренебрежении эффектами, связанными с учетом второй константы анизотропии для матрицы), при этом в спектре спиновых волн имеется область с акустическим законом дисперсии, отвечающая за стабилизацию состояния уф. Соответствующее дисперсионное уравнение в уф.описывюшрв спэктр связанных примесных возбуждений и магнонов.имеет вид

и4 - ы2( ы2 4 27ь>?Ф + f ) +

о 1 Z I i (14)

- 4f2s- ЭФ)/(1 - 3f) + = О .

гдо величины (¿^-'Л'^ч и aлрэдетавлйкгг затравочные энергии прпмосой и магнонов иэль в законе дисперсии магнонов в ме воз-

мущённом ферромагнетике).а равновесные значения величины f в УФ определятся при заданных концентрации пт ионов и температуре вы-рлжпниями <12) iipn малых значениях волнового лектора Ъ решения уравнания <14) описывают»- бесшолевую моду <ы_{£-»0>~ ) и коду со частота которой при прнОлнжаотсн ); порвнорнирован-

нон частоте примесного уровня

для шпчиоп <6есщолевон) ветви слоктра закон дисперсии вдали от оси [U li.т.е. при ы0>хог ,имао г вид

u)^(t) ' fj2 + A.Su^^if - 4f2 + Э*«)/(1 - 3f) . (15)

зиршш области частот с линейной зависимостью u_(t) от $ -- к2) окалнвотся в штоком диапазоне концентраций и температур, отвечающих УК.порядка затравочной щолн <о в спектре иагнонов. вблизи границ УФ.т.е. при стремлении XjJT к х^Т) шш х„(Т), ширина указанной области уменьшается до нуля. Такое поведение по мере приближения намагниченности к оси [001] описывается выражением <líS), где функции f(3) и ф(?<) при этом стремятся х нулю, вблизи мо границы.отвечающей оси [111!,гдо ы »0, загон дисперсии оппсыплется выражением:

Дня сппхтря возбуждений в УФ характерно наличие запрещенной юны, ширина которой 5 - максимальна (о = ш^) у гра-

ниц с фазой, отвечающей легк^н оси [1111 -типа.и падает с поворотом намагниченности к оси 1001] до нуля.

при s^jín, (Т> легкой осью становится направление [001]. Резо-наксное взаимодействие спиновых bojh с орбитальными возбуждениями исчезает, а закон дисперсии нагпонов принимает стандартный вид со кельта: <о<fco) - i хН(./х,, {'!.') - П/Т.

» раздело е.2 исследовано поведение продольной частоты иагнонов « рассматриваемых мегиетиках при наличии иасыщпюдого внеашегЬ HÄiifHTiioro поли, в рамках микроскопического подхода найдены угпо-¡«а зависимости члстоты ФМР и резонансного поля при различных концентрациях: и температурах, показано,что в системах с конкцрнруюяюП анизотропией,где в отсутствие внешнего поля имеет моего уф,экстремумы резонансного поли отвечают промежуточным по отношению к кристаллографическим осям направлениям намагниченности. Проанализирована яознежность наблюдения расщепления спектра тм>> в области кроссинга иягношюй ветки возбуждений с орбитальными переходами на прикеоях Исследовано влияния случайных низкосимметрмчннх пелей на особенности спектр« ФМР, обусловленные П'Г ионами.

в разделе б.з рассмотрен вклад m прнмеезй в ширину линии <ми■ в кубических магнетиках [2а]. Kart и Е> случае затухенкя упруги* волн в кристаллах с ИТ центрами. микроскопический подход позволил разделить и проанализировать резонансный и релаксационный вклады » ширину линии. Найдены те. иературная,частотная и угловая зависимrjr-т.ч для указанных механизм. " ушнренин. Особое снинани<> уделено члн

süjm на ширину линии случайных кристаллических полон о системе. Показано, что с изменением дисперсии случайных нолей может изменяться характер соответствующих температурных и угловых зависимостей. Исследована возможность идентификации типа орбиталыю выров-даниых центров в магнетиках по угловой зависимости ушщдашш- полученные для угловых И температурных зависимостей результаты находятся в соответствии с имеющимися экспериментальными данными, наиболее характерные из рассмотренных особенностей наблюдались, в частности, о ФНР-исследобамиях хромовых хдлькогеиидных шпинелей с ИТ ионами различных типов.

1) раздела о. 4 исследовано поведение спектра нмр ян-телле-ровеких ионов в кубических магнетиках. Основное внимание при этом обрашрнс на кг ионы с двукратно вырожденным основным состоянием [30,313 особенности спектрального распределения частот (imp для них обусловлены зависимостью анизотропной части сверхтонкого взаимодействия от того, в каком орбитальном состоянии находится электронная примесная подсистема при конкуренции полей магнитной анизотропии и случайных деформационных полай, в результате с ростом дисперсии случайных полей происходит размытие линии НН1> в неоднородно уширенную полосу с шириной порядка параметра анизотропного сверхтонкого взаимодействия, исследованы особенности «ормы указанной налосы от характера эффекте ИТ «статического,динамического», а также ее зависимости от направления внешнего магнитного ноля и температуры. Показано, что с ростом'температуры моешт происходить обусловленное релаксационными процессенк •'дииаиичэсков" сушение спектра, тек что основной пик поглоацэния оказывается не на краях, а о центре полосы поглощения.

Теоретические результаты сопоставлены с экспериментальными

даииы.чн для нвгкитяко» со структурой впинели и граната и нт ионами '>-*•

,4?о »Си . ЕШлуЧвннм при этом информации о величинах дисперсии случайных кристапличесхих попей коррелирует с результатами об-рабиткн энспвримвйтальзшх данных по магнитной анизот1юпии указанных систвгё.

Раэьитай Теория *отнеЧениыа,о частности,характерные различия спектров ПНР при направлениях ламагничонностн вдоль кристаллографических осей Uli). £110] и [0011 -типа» показывает возможность использований НИР для идентификации промежуточных уф в системах с конкурнруишэм анизотропией.

Ь главе у исследуются локализованные возбуждения в магнетиках

2h

с пт иономн. Рассмотрены случаи ЛТ приносой в магнетике с орби-тапьно невырожденными магнитными ионами и чисто спиновых нрякэсой п магнетиках с орбитальным вырождением. обменный гамильтониан таких магнетиков содержит слагаемые, яоторые смешивают спиновые и орбитальные <виОронныо> состояния системы.

В разделе 7.1 рассмотрены возможные типы примесных спектров (дипольмые.кпадрупольные £1,2]) для орбиталыю не выро «денных примесных центров.

з разделах 7.2 и 7.3 исследованы спектры спиновых колебаний чисто спиновой матрицы с примесными магнитными ионами, осношюе состояние которых в кубичоском кристаллическом поло двукратно или трехкратно вырождено (3,43, Показано, что локализованные возбуждения » указанных системах представляют собой связанные спин-виброн-ные состояния,которые классифицированы по неприводимым представлениям точечной группы примесного комплекса, спектр их оказываете! значительно более сиожным, чем в случав чисто спиновых центров: имеет место рясщеплениа н сдвиг частот чисто спиновых Еоэйуидений, а для орбитального триплета кроме того проявляются Эффекты,связанные с наличием спин-орбитального взаимодействия. Проеналиигрованн иагнитодштольноэ (одномагнонное) и электродипольиов «двухмагнон--нов> поглощение электромагнитных волн в магнетиках с рассматриваемыми примесями 15,К] показано,что специфика орбитального вырождения проявляется в наличии дополнительных лниий в спектра» поглощения.

в разделе 7.4 анализируется другой предельный случай разбавленных неупорядоченных нт с.пст»1« - рассматривается поведение чисто спиновых принесен п магнетике с орбитальным вырождением. Для таких центров имеет место сильная анизотропия обменного вэаимодействия примеси с ближайшими соседям», что обусловлено различием орбитальных состояний этих конов при заданном в кристалле типе орбитального упорядочения . в качестве примера рассмотрены соединения КСиК3 и К?СиК4 с примесями замещения 111,12]. показано, что

примесь замещения в этих соединениях молот вести себя подобно кьв-друпольиому центру £12]. т.е. примесному спину, расположенному симметрично относительно иодрешеток антиферромагнетика исследована структура спектра локализованных состояния примесного комплекс» в различных приближениях и.ь частности, устойчивость основного состояния (в том числе при наличии внешнего магнитного поля).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ и выпаду

1. Развита теория термодинамических свойств системы орбиталь-ио вырожденных примесных центров при низких температурах, показано. что в кристаллах г такими примесями за счет дальнодействующого зиакопароианного взаимодействия между кии«, обусловленного обменом акустическими фоноиами, может возникать новое состояние - яг стекло. В этом состоянии вблизи каждого примесного центра сношения ли-г&идов сказываются замороженными в определенных направлениях, заданных пространственным распределением ят цонтров.

2. Найдены функции распределения случайных полей различного типа, снимающих вырожденно на ЯТ или пореорионтирукндихся центрах в кристаллах. Плотность возбужденных низкочастотных состоят«! в таких полях оказывается постоянной в широкой области энергий, проЕи-шаюнрй параметр тцннелирования. В области энергии порядка параметра туккелирования поведение плотности состояний о значительной степени определяется зависимостью этого параметра от случайных де-Форнашш.

Термодинамические свойства системы переориентирующихся цонтров в случайных полях кристалла описываются температурными и концентрационными зависимостями.аналогичными тем. что имеют место для систем стекольного типа, в частности.имеет место линейная температурная зависимость теплоемкости при низких температурах. Специфическая особенность рассматриваемых кристаллов состоит в существенном размягчении упругих модулой, описывающих взаимодействие с ят активными двфордациянм. Такое размягчение,как и другие аффекты,характерные дли кристаллов с Я7 центрами, наиболее существенны в области температур, меньших или порядка дисперсии растеплений вырождении;; уровней в случайных полях.

3. Предложена методика описания поглощения упругих волн в кристаллах с вырожденными иди почти вырожденными нт центрами, для вырожденных цонтров показано.что затухание фоионоп оказывается независящим от температуры и.в отличив от рэлеевского закона,пропорциональным квадрату частоты. В присутствии случайных полой температурная, концентрационная н частотная зависимости затухания звука (розонансного и релаксационного» в значительной степени определяются шириной и формой распределения этих полвй. В частности, коэффициент поглотан!«! звука может оказаться независящим от концентрации прнмаспмх центров. При этом температурная зависимость затухания обнаруживает немонотонный характер с несколькими экстремумами.

отвечающими доминирующей роли роэонаисиого или релаксационного по-

глокрния.

4. показано,что обусловленные ОТ центрами магнитная ааизотро-пня и мдгнитострикция кубических магиотиков испытывают существенно« изноненио под алияншм случайных нолей. При малых дисперсиях таких низкосимипричиых полей для рассматриваемых явлении характерны лномал>.п;'1 Солыииа воличинн эффектов и нетрадищюииыо формы их зависимости 01 напрапления намагниченности в кристалле. Учет случайных полоя в этой области дисперсий оказывается тек но менее' па иным для иалравланшч намагниченности, сохраняющих вырожденно эноргетнчоскнч ypoMicil.ii мокет приводить к выделению определенного тила легких осоя для намагничивания.

яри значениях днсмрсип случлйннх низкосимиотрнчных полов, происходящих характерны!! параметр одноноиной анизотропии, традиционный тип угловых инвариантов для магнитной анизотропии и .чагни-тоупругоп энергии восстанавливается. однако и в этом случае величины констант при указанных инвариантах могут намного провосходлть типичные значения для чисто спиновых систем. Для констант магнитной анизотропии имеет место конкуренция механизмов, дающих вклады различного знака и зависящих, соответственно, от .величин дисперсии случайных полой и обменного поля на ят монах, зто обьясняат разнообразие экспериментальных данных Для одного вида ЯТ ионов п рвзннх системах. "

Для систем с избыточным зарядом на примесном кластера показана зпвисиност^ пооедония примесной анизотропия от возмояности переориентации этого заряда найду позициями с разными направлениями однотипных кристаллографических осей.

5. показана возможность существования в магаетиках с малыми концентрациями пт ионов промежуточных магнитных состояния - У», обусловленных конкуренцией легких осей магнитной анизотропии матрицы и прикесной подсистемы. Область реализации таких состояний ограничена интервалами температур и дисперсий случайных кристаллических полей, в которых вид. угловых инвариантов для магнитной анизотропии примесной подсистемы отличен от соответствующих инвариантов для матрицы.

6. Обнаружена существенная перестройка спектра спиновых ьоз-буждений в магнетиках с конкурирующей примесьой анизотропией, показано, что в магноннои спектре ферромагнитного кристалла я уф может во пикать бесншлевая мода,для кото роя при малых значениях воя-нового вектора имеется область г линенмым законом дисперсии. Ука-

загшые аномалии являются спектральными лронвломиями промежуточной УФ и сущвстеашю зависят от типа эффекта ЦТ на вырожденной центре.

7. Показано,что спектры 4MP неупорядоченных магнетиков с ят ионами в насышдюших магнитных полях обладают целым рядом особенностей температурных, угловых и концентрационных зависимостей, и частности, угловая зависимость резонансного поля в системах с конкурирующей анизотропией в интервале температур и концентраций.хор-ролируммща: с областью существования УФ. характеризуется минимумами в промежуточных по отношению к кристаллографическим осям направлениях.

6. показано, что имеется большое разнообразие типов спектров локализованных магнитных возбуждений в магнетиках с орбитально вырожденными центрами, при этом наличие орбитального вырождения на магнитных ионах может приводить как к дополнительному расщеплению энергий локализованных состояний, так и смене характера спектра с днпольиого на хвадруполышй. Кроме того, орбитальная модификация обменного взаимодействия может проявляться в потере устойчивости полносимматричкых спиновых конфигураций вблизи примесного центра.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Иванов M. А.„«щипан А.н. Свойства "квадрупольного" примесного центра в аитиферромагнотике типа легкая ось // оат.-1973,-т.is,н е.- с. аз7е-2заз.

2. Ivanov H.A.,Mlfcrofonov V.Ya. .Fialunon A.Ya. Localized magnetic vibrntione of quadirupole Impurity etronely coupled with the matrix // Fhyo.Stat.Sol.В.- 1974.- V.61.M 2.- P. 403-410.

3. Фишкам* а.я .Иванов M.A. .Митрофанов В.Я. спектр локализованных состояния магнитного диэлектрика с орбитаяьно вырожденными магнитными примесями // «ТТ.- 197S.- т. IT.ы ю.- С. 2961-2366.

4. Ivanov М. А.» Mltrofonov V.Ye., Kalkovekaya L.D., Kialmian A.Ya. The propartieo of threefold degenerate orbital magnetic Impurity -in a ferromagnetic crystal // Phye.Stat.Sol.B.-1S76-- V.74.B 1.- P. 57-67. '

5. Иванов H.A.. Митрофанов В.Я., Каяьковская А. Л. , ишшан А. я. поглощенно электромагнитных волн в магнитоупорядоченных кристаллах с орбитально вырожденными магнитными примесями // ¡Mir.- 107Т. - Т.З.Н 4,- С. 400-496.

6. Mltrofonov V.Ya., Palkovehaya L.I).. Flehmnn A.Ya., lvanov H.A. Klectromutinotic wavo absorption In oaenetica with degenerate

orbital impurltieB // Spectrooeopp Lcttoro.- 1077.- V.10.H 1.-P. 67-70.

7. HDiiHoB M. A. .ннтрофпиоо В. я. .чигамаи Д. Я. тэрмодестшика елаиио-действующа орЗиталыю пырождзниых прнкесэй //тт.- 1070.-T.20.K 10.- С. 3023-3032.

О. Иванов H.A. .Фнпнан А.Я. Псглошзинв звуке з кристаллах с орбн-тально вырожденными примеснынн мантрами // чтт.- 197в. - Т.20, N 7.- С. 214B-2I5S.

О. Изакоэ H.A., Митрофанов ».п., Фалькокекая А.Д. , Фншшн Д.Я. влияние полон внутренних напряжения па твркодинанячосяно свойства систем со структурным як-тэляерэвеккн порокодсм // OTT.- 1979.- Т. 2i.fl В.- С. 2428-2429.

10. Mltrofanov V.Y«., Kiahaon A.Yt.„ lien A.N. Cu2+~ Hn2+ pair' apectra in KZnF-, // Spectroscopy Letters.- lOBO.- 4.13,U 5.1'. 203-23Э.

11. Иванов и. A.,«илькоБская А.Д. .«чиЕмаи A.n. локализованные состояния магнитной принеся в магнетиках с epCsn-альннк выроадэни-ем // «ТТ.- Т.22.К 10.- С. 316B-3I6U.

12. яванов H.A.. Митрофанов В. Я., оальковская А. Д., Фиимаи А. Я. свойства нагшгтнои примеси в магнетиках с орбитальным вырождениям // СЧ1Т.- 1Q01.- Т. 7. н 2.- С. 211-222.

13. ноано» м. А*.. мнтрофаноа D. п. .Ччшман Д. il. шишннз случайных полей на магнитную «ннзотропню наупорядоченннзе шпинолой с 'ян-« теллеровскими центрами //«ТТ.- 1S82.- Т.24,S 4.- С. 1047-1054.

14. Иванов м.А. , «игашан А. Я. влиянно случайные деформационных полей на спектральное распределение вырожденных локальных колебаний // «ТТ.- ЮвЗ. - Т. 25.Я 3.- С. 040-840.

15. Ivanov M.A.» Mltrofanov V.Y«.г Fnltevakoyn L.D.» Fiehman A.Ya. Randon flelda in disordered magnetics with Jahn-Teller Ions // J.Мояп.Надо.Mat-- 10ВЗ,- V.33.N 1.- P, 23-38.

16. ilBaiîOj M.а. ,ч*шман А.Я. злиянио случайных деформационных яолвя на спектральное распределение вырожденных состояний // фин. -1S83.- Т. 56, H 5.- С. 866-876.

17. Иванов м. А.,Фимман A.n. плотность состояний н теплоемкость ян-теллеравских центров в случайных полях // Письма в ЕЭТв».-1заз.- т.за,н э.- с. 135-137.

10. Ivonov M.А.,Иitrofaisov V. Ya., Fiahman A.Ya. Magnetic anisotropy of dloordered ¡rmfmatico with Jahn-Tellor ions // Phya. Stat. Sol.В.- 1084.- V.121.N г.- P. 547-öbS.

10. Иванов H.A.. Фншман А. Я. неоднородное уширенмо спектра эпп ян-

теллеровских центров в тетрагонально мск&конном кристалле // «тт.- 5994.» т.26,к 11.- С. 3487-3Í8S.

20. Нваноа м. А. ,а»шк2ц д. 11. влияние случайных деформационных полей на плотность состояний и таплоемгшсть переориентирующихся центров в кристаллах // <дагт.~ loes.- Т.27,Я 5.- С. 1334-1343.

21. Иванов M.Ä, ,Китрофамор в. я. . Фалькозспай л. Я- .Сишман а. Я. магии-тострикция кристаллов с я и -те л ле ро sc х ими центрами // <етт.-loes.- Т.27,N В.- С. 2859-28S1.

22. Иванов М.А.,Коуров Н.Н.,Медге X. .Симонова м. и. .Фальковская л. д. фншман А. Я. Теплоемкость ртутной ¡злннсли HeCz-gSe^ // WT. -19Я8. - Т. 26.N 5.- С. 15S5-158B.

23. Иванов м.А. .Филиал А. И. коэффициент теплового расширения кристаллов с ян-толлеровскими центрами // ¡»it.- 1067.- т. 13,н ß.~ С. Э54-957.

24. Ivanov H.A., Mltrofaiiov V.Ya., galkovabaya L.T)., Fiehman ft.Ya. MaenatoslaoCic properties of cryatale with Jahn-Teller centerfi // Л.Magn.Magn.Mat.- 10B8.- V.71.S 3 P. 33T-354.

25. Иванов И. А. .Фишман А. Я. Магиитострикционнагв Эффекты в ян-телле-ровских системах с хонкцрирдещш анизотропией // «OTT.- IQöV. -Т.20.Н 10.- С.2882-2085.

26. Иванов м.А. .«ияман А.Я. Ксгяитныз состоннш кубических магнетиков с коикуряруодай анизотропией, об^с^овлониоЯ яи-теялеровскими номами // «нт.- ißaa.- t.i^.h з.- с. 270-2SS.

27. Иванов м. а. , фиЕхак а. я. «йазовм® состояний ку8нчесгик магнатияоа с двукратно вырожденными яи-тейлоровскими центрами // ФГГ. ~ I960. - Т.ЗО.Н В.- С.2761-2763.

2ß. Иванов А. .Фальковская А. Д. ,Фншман А.Я. уаироииа частот ФМР в кубических иагнэтиках с двукратно вырожденных» ян-теллэровскнмп центрами // «ЭТТ. - löoe. - Т. 31.Ы 6.- С. 211-219.

•¿у. Иванов h.a. ,Фальхсвскав л.Л. .«Шишак л, Я. ' спектр спиновых возбуждений в кубических магнетиках с конкурирующая анизотропией, оОусловлэниой ян-теллеровскими примесными центрами // «П'Т. -18вО,- T.31.N в.- С. 31-35.

30. Иванов И.А. .Крашанинин В.А. ,Митрофанов в.я. ,«чткан A.n. Неоднородное уиирониа спектров НИР не ионах с орбитальным вырождением в кубических магнетикак. - Препринт / им«)1 а» усср. - киев, шпэ.-

N э.аа.~ 35 е..

31. Иванов ЯА. , Митрофанов в. я., ■Фишмян а. к. . веников A.A. влиншю случайных полай на спектры HHP орбитально вырокденных ионов в кубнчоских магия гиках // вот. - 1еэо.- т.за.Н 2. - С. iüS-112.

32. Klohman fl.Y«., Kovtun H.M., Mltrofanov V.Ya., Prakopenko V.K., Sbeniynkov A.A. Supertranolerrftd hyperfIno field nt nuclei r>.f dJomasnetic copper Ions In Cu^I'o// Phyo.Sfcat.SoJ .H. -19fl9.- V. 156,N 2.- P. 597-604.