WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 2 Магнитное двупреломление звука и магнитоакустические осцилляции в гематите © И.Ш. Ахмадуллин, С.А. Мигачев, М.Ф. Садыков, М.М. Шакирзянов Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского Российской академии наук, 420029 Казань, Россия E-mail: i-akhm@kfti.knc.ru (Поступила в Редакцию 23 июня 2003 г.) Приведены результаты экспериментального исследования эффекта магнитного двулучепреломления звука в легкоплоскостном антиферромагнетике -Fe2O3. Обнаружены осцилляции амплитуды прошедшего через образец поперечного звука, распространяющегося вдоль тригональной оси C3 кристалла, в зависимости от величины магнитного поля H, приложенного в базисной плоскости (H C3). Эксперименты качественно подтверждают выводы теории этого явления, развитой ранее Туровым. Обсуждаются возможные причины существенного количественного различия теории и эксперимента в полевой зависимости периода осцилляций амплитуды звука. В неотожженных образцах гематита обнаружена 60 периодическая зависимость положения экстремумов осцилляций от направления магнитного поля в базисной плоскости, связанная с базисной анизотропией выше второго порядка. Наличие значительных ( 6 · 103 Oe) эффективных полей магнитной анизотропии в плоскости базиса может быть объяснено существованием больших остаточных напряжений в таких образцах.

1. Эффект линейного магнитного двулучепреломле- представляли собой прямоугольные параллелепипеды ния (ДП) звука в антиферромагнетиках типа легкая с плоскопараллельными (с точностьюдо 10 ) оптически плоскость (АФЛП) является одним из многочисленных обработанными торцами, перпендикулярными оси C3.

новых магнитоакустических явлений, связанных с век- К торцам приклеивались пьезопреобразователи (X-срез торным параметром порядка — вектором антиферро- ниобата лития), один из которых являлся излучателем, а другой — приемником ультразвука. Причем пьезопремагнетизма, теория которых была развита в последние образователи размещались таким образом, чтобы полягоды Туровым [1]. Природа линейного ДП связана со снятием вырождения спектра поперечных волн, распро- ризации возбуждаемой и принимаемой волн были либо параллельны, либо перпендикулярны. Толщины пьезостраняющихся вдоль трудной оси АФЛП, эффективным преобразователей и частоты, на которых проводились магнитоупругим (МУ) взаимодействием [2] и коротко измерения, подбирались такими, чтобы обеспечивалась заключается в следующем. При распространении когемаксимальная эффективность преобразования только рентного поперечно-поляризованного звука вдоль труддля одной собственной сдвиговой моды пьезопреобразоной оси лишь одна из двух нормальных мод поперечных вателя. Эксперименты производились по эхо-импульсной колебаний эффективно взаимодействует с магнитной методике [5]. Отклик системы определялся по первому подсистемой [1–3]. Вследствие перенормировки модулей прошедшему через образец акустическому импульсу.

упругости из-за МУ-связи скорость взаимодействующей Такая методика в отличие от стационарного способа (магнитной) моды становится зависящей от внешнего возбуждения звука, использованного в работах [6,7] при магнитного поля и отличной от скорости невзаимодейнаблюдении эффекта линейного ДП звука в MnCOствующей (немагнитной) моды. Это приводит к сдвигу и FeBO3 соответственно, позволяет исключить влияфаз между модами и, как следствие, к эллиптической ние отраженных волн, присутствующих в образце при поляризации волны, прошедшей через АФ-образец. При стационарной методике возбуждения.

этом амплитуда звука на выходе оказывается осциллиРезультаты измерений зависимости амплитуд компорующей функцией магнитного поля [1,4].

нент прошедшей волны (частота возбуждаемого звука 2. В данной работе сообщается о первом наблюf = 90.85 MHz) от величины магнитного поля (Al — дении и результатах экспериментального исследования при параллельной, At — при перпендикулярной ориентаэффекта магнитного ДП линейно поляризованного поперечного звука, распростаняющегося вдоль оси C3 ции поляризаций излучателя и приемника) показаны на рис. 1 и 2 (кривые a). На этих же рисунках приведены в АФЛП -Fe2O3, который, согласно теоретическим теоретические зависимости (кривые b), построенные по оценкам [4], является по своим параметрам наиболее формулам из работы [4] подходящим объектом для изучения новых явлений в антиферромагнитоакустике. В экспериментах измеряAl = {cos2 20 + sin2 0 cos2( kd/2)}1/2, (1) лась зависимость амплитуды прошедшего через образец гематита ультразвука от величины и направления маг- 2 At = {sin2 20 sin2( kd/2)}1/2, Al + At = 1, (2) нитного поля H, приложенного в легкой базисной плоскости, перпендикулярно оси C3 Z кристалла. Образцы k = (1/V - 1/V), V = C44/, (3) 8 306 И.Ш. Ахмадуллин, С.А. Мигачев, М.Ф. Садыков, М.М. Шакирзянов M = M1 + M2 — ферромагнитный момент; M L; M2HE(2B14)V = V2 1 -, и M2 — намагниченности подрешеток [4]. Также предC44Mf полагается, что эффективная МУ-связь обусловлена колебаниями вектора антиферромагнетизма в легкой ба2 = H(H + HD) +2HEHmS, (4) f зисной плоскости [2]. В том случае, когда M H L, где 0 — угол между направлением поляризации возбунаправление поляризаций нормальных мод определяется ждаемой волны и направлением поляризации магнитной из соотношений [4] нормальной моды ; — круговая частота звука, d — длина образца в направлении распространения;

= X cos 3H - Y sin 3H, = Y cos 3H + X sin 2H, V, V — фазовые скорости магнитной () и немаггде X, Y — оси координат (X M, Y L), H — нитной () нормальных мод колебаний; 0 — частота угол между направлением магнитного поля H квазиферромагнитной моды АФМР. Выражения (1)–(4) получены для рассматриваемых тригональных АФ, на- и осью симметрии второго порядка C2 в базисной плоскости. При построении теоретических зависимостей ходящихся в легкоплоскостном слабоферромагнитном использовались известные из литературы [2–4] значения состоянии, в предположении, что величина магнитного параметров: обменного поля HE = 9.2 · 106 Oe, поля поля H обеспечивает выполнение условия M H L, Дзялошинского HD = 2.2 · 104 Oe, поля спонтанной где L = M1 - M2 — вектор антиферромагнетизма;

магнитострикции Hms = 0.96 Oe, константы МУ-связи 2B14 = 29.2 · 106 erg/cm3, модуля упругости C44 = = 9.42 · 1011 erg/cm3, плотности кристалла = = 5.29 g/cm3 и равновесной намагниченности подрешеток M0 = 870 G; длина образца d = 0.6cm.

3. Как следует из приведенных графиков, эксперименты подтверждают основные выводы теории магнитоакустического линейного ДП [4]: о преобразовании линейной поляризации звука в эллиптическую; об осцилляции интенсивности прошедшего звука в зависимости от величины внешнего магнитного поля; о росте периода осцилляций с увеличением поля. Однако получено лишь качественное согласие, тогда как в количественном отношении имеются существенные различия между теорией и экспериментом. Аналогичная картина наблюдается в MnCO3 [6] и FeBO3 [7]. Прежде всего следует отметить существенное отличие периода осцилляций H, а Рис. 1. Осцилляции амплитуды прошедшего звука в зависи- также наблюдаемую зависимость амплитуды осциллямости от величины магнитного поля при параллельной ориен- ций от величины магнитного поля H. Наряду с этим тации поляризаций (0 = 45, H 140). a — эксперимент, в исследуемом образце гематита была обнаружена пеb — теория.

риодическая (гексагональная) зависимость положения экстремумов осцилляций от направления магнитного поля H в базисной плоскости, т. е. от угла H. Согласно теории [4], сдвиг фазы осцилляций при переходе от параллельной установки поляризаций излучающего и приемного пьезопреобразователей к перпендикулярной должен составлять половину периода осцилляций. Однако в эксперименте данный сдвиг проявляет сильную зависимость как от направления, так и от величины магнитного поля. Сдвиг фазы на полпериода наблюдался лишь при некоторых углах H и не очень больших значениях H (рис. 1–3).

Разумеется, трудно ожидать количественного согласия с выводами теории, основанной на изотропной модели, и очевидно, что необходимо дальнейшее развитие теории на основе соответствующих моделей. По-видимому, прежде всего здесь необходимо учесть неоднородные Рис. 2. Осцилляции амплитуды прошедшего звука в зависипо образцу спонтанные деформации, приводящие к возмости от величины магнитного поля при перпендикулярной ориентации поляризаций (0 = 45, H 140). a — экспери- никновению дополнительной пространственно неодномент, b — теория. родной магнитной анизотропии в базисной плоскости, Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Магнитное двупреломление звука и магнитоакустические осцилляции в гематите видно, что вся кривая магнитоакустических осцилляций „колеблется“ около некоторого положения. При этом прослеживается 60 гексагональная зависимость. На наш взгляд, такая зависимость может быть обусловлена анизотропией шестого порядка в базисной плоскости.

Учет базисной анизотропии более высокого, чем второго, порядка приводит к появлению в спектре низкочастотной ветви спиновых колебаний анизотропной щели, равной [9] H 2 cos 6H, H = 36HEHa, (5) где Ha — эффективное поле базисной анизоторопии.

В этом случае выражение для частоты АФМР f 0, входящей в выражение (4) для скорости магнитной моды Рис. 3. Осцилляции амплитуды прошедшего звука в зависи- нормальных колебаний (), запишется в виде мости от величины магнитного поля при H 105 (l —паf 0 = -2{H(H + HD) +2HEHms + H 2 cos 6H}. (6) раллельные, t — перпендикулярные поляризации).

Таким образом, в разности фаз kd/2 появляется зависимость от угла H. По экспериментальным данным, представленным на рис. 3, можно оценить величину H, которая составляет примерно (4-6) · 103 Oe. Эти значения H в 4-5 раз больше известных из литературы значений H, полученных в гематите другими методами (АФМР [10], метод вращающих моментов [11]). Следует, однако, заметить, что значения H 103-1.5 · 103 Oe получены в [10,11] для отожженных образцов, тогда как в наших экспериментах использовался неотожженный образец -Fe2O3. Известно, однако, что в таких образцах существуют остаточные напряжения, исчезающие в процессе отжига. Можно предположить, что именно эти напряжения и являются причиной достаточно больших полей магнитной анизотропии в исследованных нами образцах.

Авторы признательны В.А. Голенищеву-Кутузову за плодотворные дискуссии и постоянный интерес к работе.

Рис. 4. Зависимость значений магнитного поля H, при которых наблюдаются максимумы осцилляций, от угла H.

Список литературы [1] Е.А. Туров, И.Ф. Мирсаев, В.В. Николаев. УФН 172, 2, обусловливающей разброс ориентаций осей нормальных 193 (2002).

колебаний и по кристаллу [4,8]. Причины неодно- [2] В.И. Ожогин, В.Л. Преображенский. УФН 155, 4, родных деформаций могут быть различными: блочность 593 (1998).

[3] M.H. Seavey. Solid. State Commun. 10, 2, 219 (1972).

реальной кристаллической решетки [1], механические [4] Е.А. Туров. ЖЭТФ 96, 6(12), 2140 (1989).

граничные условия при возбуждении и приеме зву[5] Дж. Такер, В. Рэмптон. Гиперзвук в физике твердого тела.

ка [7,8], условия роста кристаллов и др. Построение Мир, М. (1975). 453 с.

теоретической модели, описывающей особенности экс[6] В.Р. Гакель. Письма в ЖЭТФ 9, 5, 590 (1969).

периментов по ДП звука в -Fe2O3, является целью [7] А.П. Королюк, В.В. Тараканов, В.И. Хижный. ФНТ 22, 8, наших дальнейших исследований. В данной работе мы 924 (1996).

хотели бы остановиться на обсуждении обнаруженной [8] Ю.Н. Мицай, К.М. Скибинский, М.Б. Стругацкий, В.В. Танами зависимости положения экстремумов осцилляций раканов. ФТТ 39, 5, 901 (1997).

прошедшего через образец звука от направления магнит- [9] Е.А. Туров, А.В. Колчанов, В.В. Меньшенин, И.Ф. Мирсаев, В.В. Николаев. Симметрия и физические свойства ного поля. На рис. 4 представлены экспериментальные антиферромагнетиков. Физматлит, М. (2001). 559 с.

зависимости величин магнитного поля, при которых [10] H.Kumaga, H. Abe, K. Ono, J. Shimada, K. Iwanada. Phys.

наблюдаются определенные максимумы, от его направRev. 99, 3, 1116 (1955).

ления в базисной плоскости, т. е. от H (поляризации [11] А.А. Богданов. ФТТ 14, 11, 3362 (1972).

излучателя и приемника перпендикулярны). Из рис. 8 Физика твердого тела, 2004, том 46, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.