Влияние магнитного поля на распространение ультразвуковых волн в магнитоупорядоченных кристаллах

Магомедгаджиев, Хасбула Ибрагимович

Влияние магнитного поля на распространение ультразвуковых волн в магнитоупорядоченных кристаллах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Магомедгаджиев, Хасбула Ибрагимович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Махачкала МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Влияние магнитного поля на распространение ультразвуковых волн в магнитоупорядоченных кристаллах»

Автореферат диссертации на тему "Влияние магнитного поля на распространение ультразвуковых волн в магнитоупорядоченных кристаллах"

Г Б ОД - 8 ДЕК 1998

На правах рукописи

Магомедгаджиев Хасбула Ибрагимович

ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН В МАГНИТОУПОРЯДОЧЕННЫХ КРИСТАЛАХ

Специальность: 01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Махачкала - 1998

Работа выполнена в Дагестанском государственном университете Министерства общего и профессионального образования РФ

Научные руководители: член-корр. РАН, доктор физико-математических наук, профессор Камилов Ибрагимхан Камилович; доктор физико-математических наук, профессор Алиев Хизрикади Курбанович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Шавров Владимир Григорьевич; доктор физико-математических наук, профессор Абдурахманов Аливерди Алахверенович

Ведущее учреждение: Дагестанский государственный педагогический университет

Защита состоится 28 декабря 1998 г. в 14 час. 00 мин. на заседании Диссертационного совета К200.62.01 в Институте физики Дагестанского НЦ РАН по адресу: 367003, Махачкала, пр. Шамиля, 39а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики. Автореферат разослан 27 ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного П />

совета канд. физ.-мат. наук — ^ ^ Батдалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из актуальных проблем физики конденсированного состояния является проблема фазовых переходов и критических явлений. Очевидно, что изучением только термодинамических величин вблизи критической температуры не может быть решена эта проблема. Поэтому естественен все возрастающий интерес к исследованиям динамических (неравновесных) свойств в окрестности точки Кюри. Для исследования неравновесных свойств в настоящее время используются такие методы, как рассеяние нейтронов, ЭПР, ЯМР, динамическая восприимчивость, а также скорость распространения и поглощение ультразвука (УЗ).

В последнее время значительные успехи в этой области как экспериментальные, так и теоретические были достигнуты, в частности, благодаря исследованию скорости распространения и поглощения УЗ-волн.

Преимущества и характерные особенности методов, основанных на использовании явления поглощения ультразвука, объясняются следующими обстоятельствами. Из-за того, что энергия звуковой волны мала по сравнению с энергией электромагнитных волн (ЭПР, ЯМР) и нейтронов, ее использование позволяет с высокой чувствительностью регистрировать флуктуации спина в магнитоупорядоченных кристаллах в критической области.

В отличие от электромагнитных волн и нейтронов, которые сообщают спинам магнитный момент и используются для наблюдения двухспиновых корреляций, ультразвуковая волна изменяет расстояние между спинами, изменяя тем самим величину обменного взаимодействия. Поэтому явления, наблюдаемые при распространении ультразвука вблизи критической температуры, обусловлены четырехспиновыми корреляциями.

Скорость и поглощение УЗ-волн вблизи фазовых переходов и критических точек изучались в жидкостях, сегнетоэлектриках ферро- и антиферромагнитных металлах и диэлектриках. Особый интерес представляет ультразвуковые исследования редкоземельных металлов и в частности гадолиния, который занимает особое место в ряду редкоземельных элементов из-за специфичности его спинового упорядочения. Хотя в литературе и имеются данные по поглощению и скорости УЗ-волн в гадолинии, но до настоящего времени отсутствуют комплексные исследования в окрестности точки Кюри, поставленные с целью выяснения особенностей влияния магнитного поля на критическую динамику спиновой системы, а также изучения ориентационных фазовых переходов 2-го рода, индуцированных слабым магнитным полем.

Поэтому целью настоящей работы является:

1. Создание установки для одновременного измерения коэффициента поглощения и скорости распространения ультразвуковых волн в широком интервале температур и магнитных полей.

2. Изучение индуцированных внешним магнитным полем фазоых переходов 2-го рода и особенностей распространения УЗ-волн в окрестности этих переходов.

3. Экспериментальное изучение влияния анизотропных, дипольных взаимодействий и магнитного поля на распространения УЗ-волн в гидродинамическом и критическом районах гадолиния.

Научную новизну и значимость диссертации определяют основные положения, которые автор выносит на защиту:

1. Автоматизированная установка для измерения малых изменений скорости распространения (точность - 0,06%, чувствительность к относительным изменениям скорости - 2 10"6) и поглощения (точность -3%, чувствительность -0,01 дБ/см) ультразвуковых волн в широком интервале частот (10-100 МГц), температур (78-800 К) и магнитных полей (0-15 кЭ).

2. Экспериментальные результаты, позволяющие установить точные закономерности изменения скорости распространения и поглощения ультразвуковых волн вблизи точки Кюри и температуры ориентационных фазовых переходов 2-го рода монокристалла гадолиния.

3. Исследование флуктуационного, релаксационного и поляризационного механизмов аномального распространения продольных ультразвуковых волн в редкоземельном металле — гадолинии. Определение критических индексов скорости и поглощения, времени релаксации и динамического критического индекса, а также построение скейлинговых уравнений для флуктуационного и релаксационного вкладов.

4. Изучение влияния дипольных сил на распространение ультразвуковых волн вблизи точки Кюри гадолиния и установление дипольного характера критической динамики (нормальная дипольная динамика).

5. Изучение влияния однородного внешнего магнитного поля на распространение ультразвуковых волн в области критической температуры гадолиния и обнаружение магнитополевого аналога релаксационного механизма Ландау -Халатникова в парамагнитной фазе и его обоснование на основе динамического скейлинга.

6. Обнаружение и исследование особенностей распространения ультразвука вблизи температур фазовых переходов 2-го рода, индуцированных магнитным полем, приложенным вдоль и перпендикулярно оси легкого намагничивания, построение соответствующих Н-Т диаграмм и установление их флук-туационной природы.

Практическая ценность работы. Полученные в диссертации результаты по изучению критической динамики гадолиния ультразвуковыми методами и фазовых переходов 2-го рода, индуцированных слабым магнитным полем, представляют интерес для дальнейшего прогресса в теории магнетизма, фазовых переходов и критических явлений.

Экспериментальные результаты данной работы, в частности квадратичные полевые зависимости поглощения и скорости ультразвука в парамагнитной

фазе гадолиния могут быть использованы для создания линий задержки и аттенюаторов, управляемых магнитным полем. Разработанная установка в настоящее время используется при выполнении лабораторных, курсовых и дипломных работ, а результаты при чтении спецкурсов "Физика фазовых переходов" и "Введение в физическую акустику" на кафедре физики твердого тела Даггосу-ниверситета.

Достоверность результатов диссертационной работы. Основные научные положения и выводы интерпретированы на основе достоверных экспериментальных результатов и общепризнанных теорий по ультразвуку. Контрольные измерения, проведенные на установке, в частности, на плавленом кварце, показали, что результаты хорошо согласуются с литературными данными. Для измерения температуры использовалась хромель-алюмелевая термопара про-градуированная по платиновому термометру сопротивления, изготовленному во ВНИИФТРИ.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях, совещаниях, семинарах: Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (Баку 1975, Пермь 1981, Тула 1983, Донецк 1985, Калинин 1988, Ташкент 1991), Всесоюзной конференции по термодинамике ферритов (Ивано-Франковск 1981), Конференции молодых ученных Дагестана (Махачкала 1977), Всесоюзном семинаре "Магнитные фазовые переходы и критические явления" (Махачкала 1984, 1989), Всероссийском школе-семинаре "Новые магнитные материалы для микроэлектроники"(Москва 1996), ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Дагестанского государственного университета (Махачкала, 1975- 1998 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и цитированной литературы (143), изложенных на 143 страницах, содержит 53 рисунка и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации излагается краткий обзор по теоретическим и экспериментальным работам, посвященных особенностям распространения УЗ-волн в магнитоупорядоченных кристаллах. Обозрены теоретические разработки и соответствующие им механизмы, применяемые при интерпретации экспериментальных фактов различными авторами, приведены основные положения и выводы этих теорий. В частности, рассмотрены релаксационная, флук-туационная и микроскопическая теории и приведены ряд оригинальных экспериментальных работ подтверждающие выводы этих теорий. При этом, особое внимание уделено влиянию внешнего магнитного поля, как в магнитоупорядо-ченной фазе, так и парамагнитной фазе, на распространение УЗ-волн (поляризационный и флуктуационный механизмы).

Во второй главе описана экспериментальная установка для исследования фазовых переходов и критических явлений ультразвуковыми методами. Основной метод, реализованный на данной установке для поглощения и скоро-

сти распространения УЗ-волн, является фазово-импульсный метод. Приведены блок-схемы: всей установки и в отдельности линии измерения поглощения и линии измерения изменении скорости, стабилизация температуры и поля, а также принципиальные электрические схемы электронной аппаратуры и рисунки измерительных линий низкотемпературной с криостатом и высокотемпературной.

При изучении магнитных фазовых переходов и критических явлений ультразвуковыми методами,

экспериментально измеряемыми

параметрами являются скорость распространения и, которая несет информацию о статических свойствах, и коэффициент поглощения ак, характеризующий динамические свойства. Импульсная методика позволяет изучать эти оба параметра одновременно. На рис.1 приведена блок-схема установки.

Основные принципы работы этого метода заключаются в следующем. В образец перпендикулярно его плоскопараллельным граням вводится достаточно короткий высокочастотный ультразвуковой импульс. Наблюдая многократные отражения этого импульса от параллельных торцов образца можно судить, как быстро в зависимости от времени и пройденного расстояния, последовательно отражающиеся импульсы затухают по амплитуде.

Для введения звукового импульса обычно используется преобразователь электрических сигналов в звуковые (в нашем случае кварц х- среза), который приклеивается специальными клеями, в зависимости от температур, к одному из плоскопараллельных торцов образца. Радиоимпульс от передатчика, работающего на основной частоте преобразователя или на одной из его нечетных гармоник, прикладывается к двум его параллельным плоскостям пластинки-преобразователя. В ней в результате пьезоэлектрического эффекта возбуждается упругая волна, которая распространяется по образцу.

Исходный импульс, пройдя по образцу, почти полностью отражается от противоположной границы образец-воздух возвращается к границе образец-преобразователь, откуда почти вся звуковая энергия, за исключением лишь ее небольшой части, снова отражается в образец. Малая часть энергии отраженного импульса при помощи преобразователя преобразуется в электрический сигнал. С каждым прохождением упругой волны по образцу часть ее энергии поглощается. В результате каждый последовательно-отраженный импульс оказывается меньше, чем предыдущий. Таким образом, на экране осциллографа наблюдается серия отражений, убывающих по амплитуде по мере увеличения но-

Рис.1 Упрощенная блок-схема установки для измерения коэффициента поглощения и изменения скорости УЗ-волн.

мера отражений. Если энергия, теряемая в месте склеивания образца с преобразователем, а также потери, связанные с дифракцией и рассеиванием звукового пучка, малы по сравнению с потерями звуковой энергии в материале образца, то скорость спадания амплитуд последовательных отражений может служить мерой затухания упругих волн в образце, а период повторения этих импульсов соответствует времени двойного прохождения ультразвуковых волн в образце, и служит мерой скорости распространения.

В этом методе расчет потерь на единицу длины производится по формуле

где А/ и А„ -амплитуды первого и п- того импульсов и /- длина образца в см, из которой видно, что для определения ак в дБ/см необходимо преобразовать амплитуды выделенных импульсов в постоянный сигнал и в дальнейшем последовательно осуществлять математические операции логарифмирования и вычитания. Эти функции в данной установке выполняет блок измерения поглощения.

Блок измерения поглощения состоит из двух идентичных каналов, каждый из которых включает селектор импульсов, пиковый детектор, логарифма-тор - усилитель и общий сумматор. При помощи селекторов, из общего сигнала выбираются два сигнала, например А] и А„, затем усиленные и преобразованные сигналы каждым каналом поступают на сумматор, выходной, сигнал которого пропорционален логарифму отношения амплитуд этих двух выделенных импульсов и измеряется вольтметром со шкалой, проградуированной в децибелах.

В последнем варианте установки в качестве блока измерения поглощения нами был использован измеритель мгновенных напряжений импульсный И1-10, который позволяет с большой точностью измерять амплитуду любого импульса из последовательности отраженных от граней образца эхо - импульсов без применения селектора импульсов и пикового детектора, являющихся основными источниками погрешности измерения ак.

Из многочисленных вариантов импульсно-фазовых методов для измерения и нами выбран метод наложения импульсов, который обладает не только высокой точностью измерения абсолютного значения скорости (0,01 %) и чувствительностью к относительным изменениям Ли/о (10"7), но и удобен при проведении измерений в изменяющихся внешних условиях.

Отличительной особенностью разработанного нами варианта метода наложения импульсов является совмещение в одной установке стробирования несущей частоты, автоматическое поддержание условия наложения импульсов и использование когерентной пары радиоимпульсов.

Метод наложения импульсов, как и другие варианты импульсно-фазовых методов, основан на сравнении фаз УЗ-волн, прошедших разный путь в исследуемом веществе. В одном из вариантов на пьезопреобразователь подаются два

зондирующих радиоимпульса, задержанные друг относительно друга на время двойного прохода ультразвукового сигнала в образце 21р. В результате в образце устанавливается совокупность из двух последовательностей эхо - импульсов, способных интерферировать друг с другом. Точным подбором несущей частоты можно добиться полного гашения или максимальной амплитуды колебаний в зависимости от того находятся колебания в противофазе или же в фазе. Для вычисления относительного изменения скорости может быть использовано выражение

Ди/и = А///, (2)

где Ди и А/ - изменения скорости и частоты полного гашения при изменении внешних условий, и и / - скорость и частота полного гашения колебаний, соответствующие начальным условиям эксперимента. Для автоматической подстройки частоты используется сигнал ошибки, который формируется следующим образом. Если промодулировать по частоте непрерывный сигнал, выдаваемый синтезатором частоты, то последовательность, отраженных от граней образца эхо - импульсов, будет в свою очередь промодулирована по амплитуде. При достижении условия полного гашения или максимальной амплитуды амплитудная модуляция исчезает. Следовательно, таким промодулированным сигналом можно воспользоваться для автоматической подстройки частоты. Данная установка позволяет проводить исследования в широком интервале: частот (10-100 МГц), температур (78-800 К) и магнитных полей 0-15 кЭ. Суммарная погрешность измерения коэффициента поглощения УЗ-волн для образцов длиной 05-1.0 см и потерями 20 дБ/см составляет 3%. Предельная чувствительность установки к относительному —"" изменению скорости на частоте 10 МГц составляет 2-10"6. Стабилизация и шаг температуры соответственно не хуже 10" 4К и 10"3К.

В главе 3 излагаются экспериментальные результаты

исследования в критической области монокристаллического образца гадолиния в отсутствие внешнего магнитного поля.

Для определения критических индексов т|; и и, необходимо конкретное определение фонового поглощения и нормального изменения скорости, так как критическое поглощение Дак=ак-ао (а0 - фоновое поглощение), а (Ди/и)к=Ди/ио-Аи/и (Ди/ио-нормальное изменение скорости).

За фоновое поглощение нами принято значение а, соответствующее поглощению

Рис.2 1- зависимость Ди/и от Т; 2 - зависимость ак от Т; сплошная линия на кривой 1 зависимость Ли/и=а0+а1Т+а2Т2

при Т>ТС на 30К. При этом считается, что фоновое поглощение не зависит от температуры в критической области.

Нормальное изменение скорости обычно находят линейной экстраполяцией данных (Ди/и0) из парамагнитной фазы к Тс. Учитывая, что для гадолиния в парамагнитной фазе (Ди/о0) нелинейно зависит от Т, для выделения (Аи/и0) использована зависимость

А/о0 = а о+ЧТ + а2Т\ где

ао=0.43524, а/=-2.6425-10"3 и а2=3.977-10"6. (см. рис.2 сплошная линия на кривой изменения скорости).

Используя такое выделение для Дак и (Аи/и0)к, методом наименьших квадратов, по стандартной программе определялись критические индексы т^ и и,. При определении критических индексов необходимо принимать во внимание то, что их абсолютные значения зависят не только от правильного нахождения фонового поглощения и нормального изменения скорости, но и от выбора Тс. Идентификация Тс с температурой пика поглощения или минимума скорости приводит к тому, что даже для одного и того же кристалла значения критических индексов меняются в достаточно широких пределах. Это связано с тем, что аномалии Дак и Ди/и, наблюдаются ниже Тс, а сами аномалии смешаются в сторону низких температур с ростом частоты. Поэтому за Тс нами принята температура, определенная из магнитных измерений кинк-мтодом.

Одним из основных параметров, характеризующих критическую динамику, является время релаксации, которое может быть рассчитано из экспериментальных данных Дак и (Ди/и)к. В парамагнитной фазе для этой цели

_ и А ак _ _х

Ао/и)к\~Г°* ' 0)

обычно используют формулу (3), а в магнитоупорядоченной фазе зависимость т(Т) восстанавливается из смещения максимума Дак с ростом частоты, которое согласно релаксационной теории Ландау - Халатникова определяется условием ют=1.

Температурные зависимости времени релаксации, рассчитанные из данных Аак и (Ао/о)к, показывают, что экспериментальные точки укладываются на две прямые, представляющие степенные закономерности типа (3) с одинаковыми критическими индексами для Т>ТС и Т<ТС, но с разными критическими амплитудами. Отметим, что условие справедливости (3) выполняется для гадолиния при Й10'3 (со/2я=30 МГц, ют=0.39), а абсолютные значения совпадают с данными других авторов.

Полученные, таким образом, критические индексы и амплитуды приведены в таблице 1. Прежде всего, отметим, что полученные нами значения критических индексов Г] и п отличаются от данных других авторов. Это отличие, по видимому, связано с нахождением точки Кюри, которая принималась рав-

ной температуре, при которой наблюдается пик поглощения. Для определения Тс мы воспользовались температурой определенной из независимых магнитных измерений в слабых магнитных полях, меньших полей анизотропии и размагничивания. Из экспериментальных и теоретических работ следует, что в магни-тоупорядоченных кристаллах суммарное поглощение ультразвуковых волн обусловлено как релаксацией, так и флуктуациями параметра порядка или плотности спиновой энергии. Ниже Тс присутствуют оба механизма, тогда как в парамагнитной фазе сохраняется только флуктуационный механизм, т. е.

Ка1 = а^, Да1 - а~Р + ак, (4)

где ар и ак ■ флуктуационный и релаксационный вклады в критическое поглощение Аак.

Согласно представлениям динамического скейлинга и теории взаимодействующих мод, ак во всей критической области описывается скейлинговой функцией переменной озт:

<4 =В^/Р±(а>т±), (5)

Таблица 1.Критические индексы и амплитуды гадолиния.

т>тс т<тс

Критические теория

индексы и теория

амплитуды эксперимент одноос. изотроп эксперимент Ландау-Ха-

магнет. магнет. латникова

7/ 1.15±0.05 1.218 1.883 1.08+0.05 1.0

и, 0.20±0.02 -0.03 0.122 0.14±0.02 0

X 0.92+0.07 1.25 1.67 0.94±0.07 1.0

У 0.08+0.04 0.123 0.147 0.06±0.04 0

2 1.3710.10 2.17 2.48 1.39±0.10 2

1.98

В0, см'-с2 (5+0.1)-Ю-21 4.72-10"21 (2.36+0.1)-10"19 -

Уо (4±0.1)-104 4.16-10'4 (9.5±0.1)-10"4 -

т0, с 3.06-10-12 3.29-10'12 1.77-10"12 -

ВР> см'-с092 2.95-10"9 - - -

В* см'г94 - - 1.29-10"8 -

где /(сот) - скейлинговая функция, конкретный вид которой теория не дает, но при обработке экспериментальных данных полагают, чтоимеет лоренцевский вид:

С+ (©*■*)

1-у*

(6)

Здесь С- постоянная, которая является положительной, у+=а/х*, В/=Вр~, а (Хр+^ар' из-за того, что т0+^т0". Тогда легко видеть, что

а~ = <*;(?/), 9 = (т~ / г0+)'/х. (7)

Отсюда, используя (4), можно в магнитоупорядоченной фазе выделить ар и ак . Было показано, что не только аР, но и ак описываются скейлинговым уравнением

ад(/) = Аа~и) - а;(ф) = Вксох+у~/((от~), (8)

/(от) =

(ОТ

1 + (сот )2

(9)

Для экспериментальной проверки скейлинговых уравнений (5) и (8) необходимо определить у, у+ и С. Для этой цели можно использовать пределы функций//.- и/к при Т=ТС и Т=Тюгх. Так как при этих температурах сот—>со (Т=Тс) и сот=1 (Т=Ттах), то

с£ = ВРю1+у* = ас, Т=ТС,

(10)

^ = 2ВкС°1+У = Т = Гтах'

10"

]з

и. В

10"8Ь

- »VI»,

1 ■ ■ ■ ■ ' I I « I I » I I . 11_I ' < I » 11

ю"'

ее 8

10"'

(П)

Оценка постоянной С проводится из экспериментальных значений Дак при Т=ТС и ют"=1. Из уравнения (6) и температурной зависимости Дак имеем аР+/ас=1/(С+1)=0,75 и С=0,33.

Используя

до"8 приведенные выше оценки у' и С, мы обработали

Ю"1 10" ат 10

Рис.3 Скейлинговые уравнения для флуктуационно-

го (кривая 1,7>ГС) и релаксационного (кривая 2, экспериментальные данные ак Т<ТС) вкладов в аномальное поглощение. для частот 10-г30 МГц методом

наименьших квадратов. В качестве подгоночных параметров использовались х+, у+ и С, которые подбирались

около значений соответственно 0,9, -0,08 и 0,33. Релаксационный вклад в аномальное поглощение а мы выделили, используя уравнения (7) и (8) с £/=6,8.

В четвертой главе изложены результаты измерения скорости распространения продольных волн оь и коэффициента их поглощения ак на частоте 10 МГц для двух монокристаллических образцов гадолиния, которые отличались друг от друга значениями точек Кюри и размагничивающими факторами.

Измерения проводились как вдоль гексагональной оси, так и в базисной плоскости в магнитном поле, направленном

, дБ/см

различным отношению вектору (параллельно дикулярно). следует кривых наблюдаются максимумы,

образом по к волновому УЗ-волны или перпен-Прежде всего, отметить, что на ак (7) и ак (Н) четкие которые

Рис.4 Зависимость коэффициента поглощения продольных УЗ-волн (10 МГц) от температуры для всШ в различных магнитных полях. Н± с 11 к.

смещаются в сторону низких температур с ростом Я для ак (7) или в сторону сильных полей при уменьшении температуры для ак (Я). При этом абсолютная величина максимума на кривых ак (7) и ак (//) уменьшается при удалении от Тс (см. на рис.4). На кривых полевой зависимости иь аномалии, соответствующие исследуемым переходам размываются на значительный интервал магнитных полей.

Экспериментальные данные скорости распространения и поглощения продольных УЗ-волн позволяют утверждать, что в магнитном поле (Н<Нр или На) в анизотропных ферромагнетиках типа "легкая ось" сохраняется ФП 2-го рода. В зависимости от направления ориентации магнитного поля относительно оси анизотропии могут наблюдаться переходы из неоднородно намагниченного состояния в однородное (Н//с) или из состояния, где компонента намагниченности вдоль ОЛН конечна в состоянии с Мг = 0. В первом случае переход по полю осуществляется при Н=Нр=АтШр М3 тогда как во втором случае Н=На=2К1/М5. Этим переходам на кривых температурной и полевой зависимостей соответствуют изгибы для скорости УЗ-волн и максимумы для коэффициента поглощения звука. На фазовых Н-Т диаграммах, для двух образцов гадолиния, линия ФП 2-го рода из неоднородно намагниченного состояния в одно-

н,кэ

283 293 т,к

Рис.5 Фазовая Н-Т диаграмма для

гексагональной оси гадолиния. 1-Ос11 (•-оиСН), о -х(Т), х-х(Н», 2 - ОсШ (Д-ак(Н),«-ак(Т), □ - Ди(Н) / и(0)).

родное, которая характерна для с - оси, описывается степенной закономерностью с кинетическим индексом ш=2.61 ±0,05. Для двух образцов гадолиния,

имеющих разные размагничивающие факторы и Та значения со в пределах ошибки определения совпадают друг с другом. А значение со находится в соответствии со значением, которое вытекает из теории РГ и е -разложения для изотропных

ферромагнетиков с дипольными

взаимодействиями. Исследования,

проведенные в парамагнитной фазе для вс!, показывают,

что в слабых магнитных полях Дак растет, а Ди(Д)/о(0) уменьшается с увеличением Н. При дальнейшем увеличении Н Дак и Аи(Н)/и(0) проходят через свои максимальные значения, которые с ростом Т смещаются в сторону больших значений полей. В сильных полях Дак и Ди(Яу)/и(0) уменьшаются и с некоторого поля, значение которого зависит от Т, изменение скорости в поле становится положительным. Вдали от Тс , где спиновые флуктуации слабо развиты, наблюдается рост Аак и До(ЯМХО) в магнитном поле. Аналогичная картина наблюдается во всех случаях, когда направление Н и распространения УЗ-волн вза-имно перпен-дикуярны. Особенности влияния магнитного поля на рас-пространение УЗ-волн в металлических магнетиках обусловлены конкурирующим действием поляризационного и флуктуационного механизмов.

Хотя при Т—>ТС флуктуации начинают играть все большую роль, но тем не менее, на экспериментальных кривых можно указать область магнитных полей, где выполняется квадратичная зависимость.

Для количественного сравнения экспериментальных данных с теорией был произведен расчет изменения ак и иь по формулам, которые были получены Тачики и Маекава. Для гексагональных кристаллов эти формулы имеют вид:

-1.7

-3.7

-2.7 -

2.85

3.35

Рис.6 Фазовая Н-Т диаграмма в двойном логарифмическом масштабе : 1 - бе!!, 2 - всШ

а".

М(1-Ь)

{-(\-кь)(1-Ь)) [1-(1-кь)(\-Ь)

1-/

3/2

1ба

(\-ь/з)к2а

[(' -(' ~^X1 ~Ь/З))112 -{¿-(\-ка!2\1 -ЫЪ)Уп] [(-{1-каХ\-Ь/3)]и2

\1/2

(г- 1 + Ь/З)1

зв г.,,Г 1-6

(12)

-[м-

1-6/3

у/2 { +

;-(1-*аХ1-6/з)

/-1 + 6/3 1-6/3

Г 1-6 ^

) 1 1^ — 1 + 6/

1/2

,1/2

(13)

Ли(П)/о(0)10

0.5

/-(1-^X1-6/3),

где ка и кь -безразмерные константы анизотропии (для гадолиния ка=кь=

0,0029). Расчет аак и До проводился на ЭВМ численными методами. Поляризация М была рассчитана методом половинного деления, разлагая функцию Бриллюэна в ряд с учетом члена третьего порядка. Учитывая, что формулы (12) и (13) были получены, выразив двухспиновые корреляционные функции через восприимчивость, а для восприимчивости было

использовано приближение молекулярного поля, возникает необходимость введения коррекции температуры Т=Тс+С/С' (Т-Т<), позволяющая уменьшить расхождения между экспериментальными и теоретическими значениями восприимчивости.

-0.5

10,0 Н,кЭ

Рис.7 Экспериментальные и теоретические зависимости Ди(Н)/и(0) от Н для 0<1 при различных температурах, х-295.54К; »-300.27К. Пунктирные линии соответствуют расчету.

Параметры F|CuG находились следующим образом. Рассчитывается зависимость Аа/Рк от Н для температур, достаточно удаленных от Т. Эта зависимость имеет максимум при определенном Я, значение которого определяется С. Тогда можно найти сравнением экспериментальных и

рассчитанных значений Да, соответствующих максимуму. Результаты расчета, приведенные для Да и Ди^ЯУи(О) показывают (см. рис.7 и рис.8) только качественное согласие с экспериментом. Лучшее количественное соответствие расчета с экспериментом, как и следовало ожидать, наблюдается для изотерм, по которым подбирались и (7. При изменении температуры как в одну, так и другую сторону от этой изотермы расхождения между теорией и экспериментом увеличивается. Вблизи же Тс имеются значительные расхождения между экспериментальными и теоретическими кривыми во всем интервале магнитных полей и температур. Заключение и выводы

1. Разработана и создана автоматизированная экспериментальная установка для исследования скорости и поглощения ультразвуковых волн в широком интервале: температур (73-700К), частот (10-100Мгц) и магнитных полей (10-15000Э).

2. На основе экспериментальных результатов, полученных на этой установке, определены критические индексы и амплитуды, характеризующие статическое и динамическое критическое поведение, выделены соответствующие вклады различных механизмов и построены скейлинговые уравнения состояния.

3. В парамагнитной фазе гадолиния преобладает квадратичная связь с флуктуациями параметра порядка - звуковые волны взаимодействуют с флук-туациями намагниченности, а их распад происходит через спиновую диффузию (спин - спиновая релаксация). Тогда как в магнитоупорядоченной фазе наряду с взаимодействием звуковых волн с флуктуациями, проявляется их линейная связь с параметром порядка, который приводит к релаксационному механизму Ландау - Халатникова.

4. Из сравнения экспериментальных и теоретических критических индексов и амплитуд следуют, следующие результаты, характеризующих критическое поведения гадолиния в гидродинамическом районе:

Да. (II), дБ/см

Рис.8 Экспериментальные и теоретические зависимости Да от Н для в(1 при различных температурах, х - 295.54 К; •-300.27 К. Пунктирные линии соответствуют расчету.

- Несмотря на значительные расхождения между теорией и экспериментом для некоторых критических индексов, в рамках теории взаимодействующих мод, особенности критического распространения ультразвуковых волн, могут быть описаны изотропной моделью Гейзенберга с не сохраняющимся параметром порядка (полный спин системы).

- Равенство критических индексов выше и ниже Тс (х~=х', z~=z') подтверждает для гадолиния справедливость основного предположения гипотезы динамического скейлинга, согласно которой во всей критической области характерные частоты флуктуаций являются функцией только переменной ют.

- Критический индекс х зависимости x(t) и рассчитываемый из него динамический критический индекс z не соответствует предсказаниям ни нормальной и ни жесткой дипольной динамики. Учет коррекции к скейлингу и конечности скорости в точке Кюри дает значения z, близкие к теоретическим предсказаниям для нормальной дипольной динамики.

5. Внешнее магнитном поле, приложенное (перпендикулярно и параллельно оси легкого намагничивания) при исследовании поглощения и скорости распространения УЗ-волн, позволило выявить фазовые переходы второго рода индуцированные этим полем:

- при нПс переход из неоднородно намагниченного состояния в однородно намагниченное состояние или из многодоменного в однодоменное состояние;

- при Н1с из состояния, где компонента Mz^0 в состояние Mz=0. Эти фазовые переходы 2-го рода обусловлены как одноосной анизотропией, так и доменной структурой, и практически мало отличаются друг от друга, так как они в основном обязаны дипольным силам и доменным стенкам.

Линия фазового перехода 2-го рода подчиняется степенной закономерности с критическим индексом oj=2.61, которое находится в соответствии со значением, которое вытекает из теории РГ и в - разложения для изотропных ферромагнетиков с дипольными взаимодействиями.

6. Исследования, проведенные в парамагнитной фазе, позволили определить роль различных механизмов (поляризационного и флуктуационного).

При этом установлено:

- В пределе слабых магнитных полей, наблюдается квадратичная зависимость Да и (Ди/и) от Н, которая обусловлена поляризационным механизмом.

- Характер температурной зависимости времени релаксации в области магнитных полей, где доминирует поляризационный механизм, не претерпевает существенных изменений по сравнению с Н=0.

- Для количественного сравнения экспериментальных результатов с теорией был произведен расчет изменения Да и (Ди/и) по формулам Тачики - Маекава.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих статьях:

1. Алиев Х.К., Магомедгаджиев Х.И. Релаксационные явления в ферритах вблизи точки Кюри.// Тезисы докладов Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений. - Баку: 1975.- С. 165.

2. Алиев Х.К., Магомедгаджиев Х.И. Влияние магнитного поля на распространение ультразвуковых волн в ферромагнетиках.// Сб. трудов молодых ученных Дагестана, Махачкала: 1977.-С

3. Камилов И.К., Алиев Х.К., Магомедов М-Р.М., Омаров A.M., Магомедгаджиев Х.И. Флуктуационные фазовые переходы П-рого рода в ферромагнетиках в слабых полях.// Тезисы докл. 15 Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений.- Пермь: 1981.С.71-72.

4. Камилов И.К., Алиев Х.К., Омаров A.M., Магомедгаджиев Х.И. Фазовые переходы второго рода в магнитном поле в ферритах-гранатах.// Тезисы докл. Всесоюзной конференции по термодинамике ферритов,- Ивано-Франковск: 1981.- С.

5. Алиев Х.К., Камилов И.К., Магомедгаджиев Х.И. Влияние магнитного поля на поглощение ультразвуковых волн в Gd вблизи точки Кюри.// ФТТ,-1981,- 23, № 5.-С. 1533 - 1535.

6. Камилов И.К., Алиев Х.К., Омаров A.M., Магомедгаджиев Х.И. Критическое поведение анизотропных ферромагнетиков в слабых магнитных полях.// Тезисы докл. 16 Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений.- Тула: 1983.- С. 11 - 12

7. Алиев Х.К., Камилов И.К., Магомедгаджиев Х.И., Омаров М-Г.К., Муртазаев А.К. Влияние магнитного поля на время акустической релаксации в парамагнитном гадолинии.//ФТТ.- 1984. - 26, № 1.- С.265 - 267.

8. Омаров М-Г.К.,Магомедгаджиев Х.И. Влияние магнитного поля на время релаксации в гадолинии в парамагнитной фазе.// Тез. док. Всесоюз. семинара "Магнитные фазовые переходы и критические явления". - Махачкала, -1984, - С.164.

9. Магомедгаджиев Х.И., Омаров М-Г.К. Влияние магнитного поля на критическое распространение УЗ-волн в гадолинии.// В кн. "Магнитные фазовые переходы и критические явления". - Махачкала -1985. -С. 159-165.

10. Алиев Х.К., Камилов И.К., Магомедгаджиев Х.И., Омаров М-Г.К. Критическая динамика магнитоупорядоченных кристаллов. Акустические исследования.// Тезисы докладов 17 Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений.- Донецк: 1985.- С. 105 - 106.

11. Алиев Х.К., Камилов И.К., Омаров A.M., Шахабутинов Я.М., Омаров М-Г.К., Магомедгаджиев Х.И. Фазовые переходы и критические явления в упорядочивающих и неупорядочивающих полях.// Тезисы докладов 18 Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений. - Калинин: 1988.- С.712 - 713.

12. Магомедгаджиев Х.И. Фазовая Н-Т диаграмма гадолиния.// Тез. док. Всесоюз. семинара "Магнитные фазовые переходы и критические явления". -Махачкала, 1989. - С.211.

13. Алиев Х.К., Камилов И.К., Магомедгаджиев Х.И., Омаров М-Г.К. Критическая динамика гадолиния. //ЖЭТФ. - 1989. - 95, № 5.- С.1896 - 1907.

14. Алиев Х.К., Камилов И.К., Магомедгаджиев Х.И., Омаров М-Г.К. Влияние магнитного поля на распространение ультразвуковых волн в критической области.//Тез. докл. 19 Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений. - Ташкент: 1991. ч.З.- С.

15. Алиев Х.К., Магомедгаджиев Х.И. Определения критических индексов.// Вестник Дагестанского государственного университета. Махачкала:

1996,- С.30-33.

16. Алиев Х.К., Камилов И.К., Магомедгаджиев Х.И., Омаров М-Г.К. Особенности распространения ультразвука в магнитном поле вблизи точки Кюри металлических магнетиков.// Тез. док. 15 Всеросс. школы-семинара. Москва: 1996. - С.243-244.

17. Алиев Х.К., Камилов И.К., Магомедгаджиев Х.И., Омаров М-Г.К. Аномальное поглощение ультразвука в гадолинии в магнитном поле.//ФТТ.-

1997.-39,N2.- С.339-340.

18. Алиев Х.К., Магомедгаджиев Х.И. Влияние магнитного поля на распространения УЗ-волн в критической области гадолиния.// Вестник Дагестанского государственного университета. Махачкала: 1997.-С.13-17

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Магомедгаджиев, Хасбула Ибрагимович, Махачкала

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО и ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Магомедгаджиев Хасбула Ибрагимович

ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН В МАГНИТОУПОРЯДОЧЕННЫХ

КРИСТАЛЛАХ

01.04.07, физика твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: член-корреспондент РАН, доктор физико-

математических наук,

профессор Камилов Ибрагимхан Камилович доктор физико-математических наук, профессор Алиев Хизрикади Курбанович

Махачкала, 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ КРИТИЧЕСКОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЗ-ВОЛН В МАГНИТОУПОРЯДОЧЕННЫХ КРИСТАЛЛАХ.................................................................................12

§ 1.1 Релаксационный механизм..................................................................13

§1.2 Флуктуационный механизм.................................................................15

§ 1.3 Критические особенности скорости распространения

звука в магнитиках..............................................................................21

§ 1.4 Критическое поглощение звука в магнитиках.

Экспериментальные данные...............................................................24

§1.5 Влияние магнитного поля на распространение УЗ-волн

в магнитоупорядоченных кристаллах...............................................30

§ 1.6 Микроскопическая теория....................................................................32

§ 1.7 Влияние магнитного поля на изменение

скорости................................................................................38

§ 1.8 Температура компенсации....................................................................41

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН.

§ 2.1 Введение.................................................................................................45

§ 2.2 Функциональная блок-схема установки...............................................46

§ 2.3 Канал измерения поглощения...............................................................52

§ 2.4 Канал измерения изменения скорости..................................................58

§ 2.5 Погрешность и чувствительность установки.......................................63

§ 2.6 Измерительные линии............................................................................67

§ 2.7 Измерение напряженности магнитного поля и температуры...........70

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПО ПОГЛОЩЕНИЮ И ИЗМЕРЕНИЮ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЗ-

ВОЛН В ГАДОЛИНИИ.

§ 3.1 Введение.................................................................................................75

§ 3.2 Распространение ультразвуковых волн в критической области гадолиния...................................................................77

§3.3 Определение критических индексов и амплитуд

для гадолиния......................................................................................83

§3.4 Представление динамического скейлинга для гадолиния................................................................................................91

§ 3.5 Дипольный характер критической динамики гадолиния....................................................................................................95

ГЛАВА.4. ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЗ-ВОЛН В ГАДОЛИНИИ.

§ 4.1 Введение.............................................................................................98

§ 4.2 Влияние магнитного поля на фазовые переходы

в магнитоупорядоченной фазе...........................................................99

§ 4.3 Фазовые Н-Т диаграммы анизотропных ферромагнетиков....................................................................................................113

§ 4.4 Влияние магнитного поля на распространение УЗ-

волн в парамагнитной фазе................................................................120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ........................................................................129

ЛИТЕРАТУРА.................................................................................................131

ВВЕДЕНИЕ.

Одной из актуальных проблем физики конденсированного состояния является проблема фазовых переходов и критических явлений [1-11]. Очевидно, что изучением только термодинамических величин вблизи критической температуры не может быть решена эта проблема. Поэтому естественен все возрастающий интерес к исследованиям динамических (неравновесных) свойств в окрестности точки Кюри. Для исследования неравновесных свойств в настоящее время используются такие методы, как рассеяние нейтронов, ЭПР, ЯМР, динамическая восприимчивость, а также скорость распространения и поглощение ультразвука (УЗ).

Связь магнитных превращений и критических явлений с распространением ультразвука проявляется двояко. Это связь характеризуется коэффициентом поглощения ак, описывающем энергетические потери в звуковой волне, и аномальным изменением скорости звука Ди. Для понимания сущности наблюдае-

мых явлений необходимо знать обе эти величины. Причем, при изучении механизмов рассеяния или поглощения часто существенно, чтобы измерения поглощения и скорости проводились одновременно и на одном и том же образце.

Поэтому целью настоящей работы является:

Научную новизну и значимость диссертации определяют основные положения, которые автор выносит на защиту:

0,01 дБ/см) ультразвуковых волн в широком интервале частот (10-100 МГц), температур (78-800 К) и магнитных полей (0-15 кЭ).

3. Исследование флуктуационного, релаксационного и поляризационного механизмов аномального распространения ультразвуковых продольных волн в редкоземельном металле - гадолинии, определение критических индексов скорости и поглощения, времени релаксации и динамического критического индекса, а также построение скейлинговых уравнений для флуктуационного и релаксационного вкладов.

6. Обнаружение и исследование особенностей распространения ультразвука вблизи температур фазовых переходов 2-го рода, индуцированных магнитным полем, приложенным вдоль и перпендикулярно оси легкого намагничивания, построение соответствующих Н - Т диаграмм и установление их флук-туационной природы.

Практическая ценность работы.

Полученные в диссертации результаты по изучению критической динамики гадолиния ультразвуковыми методами и фазовых переходов 2-го рода, индуцированных слабым магнитным полем, представляют интерес для даль-

нейшего прогресса в теории магнетизма, фазовых переходов и критических явлений.

Экспериментальные результаты данной работы, в частности квадратичные полевые зависимости поглощения и скорости ультразвука в парамагнитной фазе гадолиния могут быть использованы для создания линий задержки и аттенюаторов, управляемых магнитным полем. Разработанная установка в настоящее время используется при выполнении лабораторных, курсовых и дипломных работ, а результаты при чтении спецкурсов "Физика фазовых

переходов" и "Введение в физическую акустику" на кафедре физики твердого тела Даггосуниверситета.

Публикации.

3. Камилов И.К., Алиев Х.К., Магомедов М-Р.М., Омаров A.M., Магомед-

гаджиев Х.И. Флуктуационные фазовые переходы Н-рого рода в ферромагнетиках в слабых полях.// Тезисы докл. 15 Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений.- Пермь: 1981.С.71-72.

5. Алиев Х.К., Камилов И.К., Магомедгаджиев Х.И. Влияние магнитного поля на поглощение ультразвуковых волн в Gd вблизи точки Кюри.// ФТТ.-1981.- 23, № 5.-С.1533 - 1535.

11. Алиев Х.К., Камилов И.К., Омаров A.M., Шахабутинов Я.М., Омаров М-Г.К., Магомедгаджиев Х.И. Фазовые переходы и критические явления в упо-

рядочивающих и неупорядочивающих полях.// Тезисы докладов 18 Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений. - Калинин: 1988.- С.712 - 713.

1996.- С.30-33.

1997.-39,N2.- С.339-340.

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и списка цитированной литературы.

В главе 1. проводится краткий обзор по теоретическим и экспериментальным работам, посвященных особенностям распространения УЗ-волн в маг-нитоупорядоченных кристаллах. Обозрены теоретические разработки и соот-

ветствующие им механизмы, применяемые при интерпретации экспериментальных фактов различными авторами, приведены основные положения и выводы этих теорий. В частности, рассмотрены релаксационная, флуктуационная и микроскопическая теории и приведены ряд оригинальных экспериментальных работ подтверждающие выводы этих теорий. При этом, особое внимание уделено влиянию внешнего магнитного поля, как в магнитоупорядоченной фазе, так и парамагнитной фазе, на распространение УЗ-волн (поляризационный и флуктуационный механизмы, точка компенсации).

Во - второй главе описана экспериментальная установка для исследования фазовых переходов и критических явлений ультразвуковыми методами. Основные методы, реализованные на данной установке для поглощения и скорости импульсно-фазовый метод. Установки позволяет проводить измерения и другими методами после незначительных изменений. Для изучения закономерностей распространения ультразвуковых волн в критической области необходимы измерения в непосредственной окрестности Тс, а это повышает требования к проведению эксперимента. В частности, фиксация малых изменений поглощения (0.01 дБ/см) и относительного изменения скорости (~10~5), стабилизация и шаг температуры должны быть соответственно не хуже 10"4 К и 10"3 К. Чтобы удовлетворить этим и др. требованиям при создании установки учтены все ранее использованные новшества (других авторов), и введены различные устройства позволяющие полностью автоматизировать процесс измерения.

В главе 3. излагаются экспериментальные результаты исследования в критической области монокристаллического образца гадолиния в отсутствии внешнего магнитного поля. Определены критические индексы поглощения и скорости, времени релаксации и сравнены с теоретическими результатами, а также рассчитаны критические амплитуды. Выделены вклады флуктуационного и релаксационного механизмов и построены скейлинговые уравнения состояния.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию влияния магнитного поля на поглощение и скорость распространения УЗ-волн в гадоли-

нии. В частности, исследованию фазовых переходов 2-рого рода, индуцированные внешним магнитным полем и построению соответствующих Н-Т диаграмм. И, наконец, сравнения экспериментальных результатов по влиянию поля с теорией Тачики - Маекава.

В заключении сделаны обобщающие выводы по результатам диссертационной работы.

ГЛАВА 1

ОСОБЕННОСТИ КРИТИЧЕСКОГО РАСПРОСТРАНЕНИ