WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 7 Низкотемпературное квазиадиабатическое перемагничивание редкоземельных изинговских метамагнетиков © И.Б. Крынецкий, В.М. Матвеев, В.В. Матвеев Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия ФГУП „Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина“, 124460 Москва, Зеленоград, Россия (Поступила в Редакцию в окончательном виде 26 ноября 2004 г.) Обнаружено необычное поведение намагниченности и магнитоиндуцированных упругих деформаций редкоземельных изинговских антиферромагнетиков DyAlO3 и TbAlO3 при низкотемпературных метамагнитных фазовых переходах. При квазистатическом вводе и выводе внешнего магнитного поля состояние магнитной системы этих соединений изменяется вдоль совершенно различных траекторий на фазовой H-T -диаграмме, а малые знакопеременные динамические вариации величины поля индуцируют обратимые „переключения“ магнитной системы между этими траекториями (с соответствующими резкими скачками намагниченности и упругих деформаций). Показано, что причиной наблюдаемых аномалий является ярко выраженный квазиадиабатический характер процессов намагничивания в рассматриваемых соединениях. Это приводит к необходимости использования более адекватной интерпретации экспериментальных данных по измерениям намагниченности и магнитострикции изинговских антиферромагнетиков при низкотемпературных метамагнитных переходах. В экспериментальном плане квазиадиабатическое намагничивание позволяет очень точно определять критические поля метамагнитных переходов, а также исследовать участки фазовой H-T -диаграммы, соответствующие температурам, которые существенно меньше минимальной температуры гелиевой ванны и недостижимы в чисто изотермических условиях.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 02-02-16704).

1. Введение формы кристалла [4]. Это позволяет избежать всех неопределенностей при выяснении причины наблюдаеРедкоземельные оксиды DyAlO3 и TbAlO3 являются мых аномалий и их теоретической интерпретации, что четырехподрешеточными антиферромагнетиками, имею- являлось основной целью проведенных исследований.

щими искаженную структукру перовскита [1]. Редко- В случае ортоалюмината диспрозия полное внутренземельные ионы в этих соединениях упорядочивают- нее магнитное поле Hm, действующее при нулевой ся ниже температур Нееля TN = 3.52 K (DyAlO3) и температуре на магнитные моменты ионов Dy в структуTN = 3.8K (TbAlO3) в ab-плоскости кристалла, образуя антиферромагнитную (AF) структуру — „антиферромагнитный крест“, показанный на рис. 1, a [2,3]. При этом ионы Dy и Tb можно рассматривать как чисто изинговские ионы, оси анизотропии которых лежат в ab-плоскости под углами 57 (Dy) и 35 (Tb) к a-оси, а величины магнитных моментов близки к максимально возможным для этих ионов значениям 10µB и 9µB соответственно.

Наши исследования показали, что на качественном уровне поведение этих соединений в магнитном поле практически одно и то же с точностью до изменения ориентации поля на 90 (в частности, картина наблюдаемых аномалий одна и та же при H a для TbAlOи H b для DyAlO3). Поэтому далее речь будет идти только об ортоалюминате диспрозия (за исключением рис. 3), к которому и будут относиться все проводимые экспериментальные и теоретические результаты и для Рис. 1. Магнитные структуры ионов Dy3+ в ортоалюминате которого в действительности было выполнено наибольдиспрозия. a — антиферромагнитная структура в нулешее число измерений. Принимался во внимание тот вом магнитном поле, b — высокополевая ферромагнитная факт, что ортоалюминат диспрозия — чисто дипольный структура в поле H > Hm/ cos 33, приложенном вдоль оси b модельный метамагнетик, все параметры которого точно кристалла, c — модельная двухподрешеточная структура:

рассчитываются и могут варьироваться путем изменения M 1 =(M1 + M4) cos 33, M 2 =(M2 + M3) cos 33.

Низкотемпературное квазиадиабатическое перемагничивание редкоземельных изинговских... ре, равно 5.6 T, что с высокой точностью соответству- возможность использования двухподрешеточной модели ет наблюдаемой температуре Нееля TN = 3.5K [4]. Это изинговского антиферромагнетика. При этом измерения поле рассчитывается путем прямого суммирования ди- проводились на кристалле определенной формы, для польных полей, создаваемых всеми магнитными ионами которой обеспечивалось приблизительное равенство векристалла в месте расположения каждого отдельно взя- личин внутри- и межподрешеточных взаимодействий в того иона. Что касается величин внутри- и межподреше- двухподрешеточной модели, что существенно упрощает точных полей Hi j (i, j — номера подрешеток), при рас- математическое описание магнитной системы и ее измечете которых суммируются только величины дипольных нений в магнитном поле (разд. 3).

полей магнитных моментов подрешетки i, действующих Измерения магнитоиндуцированных упругих дефорна каждый магнитный момент в подрешетке j, то они маций проводились с помощью тензометрического дилазависят от формы образца и могут изменяться в широ- тометра, работающего по мостовой схеме. Использоваких пределах вплоть до изменения знака взаимодействия лись проволочные тензодатчики, изготовленные из сплав некоторой паре подрешеток (конечно, при условии по- ва с низким гальваномагнитным эффектом. Для регистоянства величины Hm = H11 + H12 + H13 + H14). Это страции магнитоиндуцированных деформаций в процесприводит к очень сильной модификации фазовой сах ввода и вывода внешнего магнитного поля испольH-T -диаграммы метамагнетика. Внешнее магнитное по- зовался двухкоординатный самописец. Скорость измеле, приложенное в ab-плоскости кристалла, индуцирует нения магнитного поля, создаваемого сверхпроводящей метамагнитные переходы (одно- или двухступенчатые) системой, варьировалась от 0.05 до 0.5 kOe/s, максимальиз исходной AF-конфигурации в высокополевую ферная величина поля составляла 4.3 T. Чувствительность ромагнитную (F) конфигурацию [1]. Например, магнитэкспериментальной установки по деформации была не ное поле H > Hm/ cos 33, приложенное вдоль b-оси хуже 5 · 10-7.

кристалла, приводит к одноступенчатому перемагниИзмеренные кривые полевых зависимостей магниточиванию подрешеток 2 и 3 вдоль соответствующих индуцированных упругих деформаций вдоль b-оси криизинговских осей, в результате чего осуществляется сталла DyAlO3 при различных температурах в интерметамагнитный переход к F-конфигурации с одинаково вале 1.5–4.2 K представлены на рис. 2. На них были ориентированными и равными по величине магнитными обнаружены следующие аномалии.

моментами подрешеток 2 и 1, а также 4 и 3 (рис. 1, b).

1) Как следует из теории (разд. 3), в двухподрешеточМетамагнитные переходы в редкоземельных изинговном изинговском антиферромагнетике при изотермических антиферромагнетиках исследовались различными ском намагничивании метамагнитный переход не может методами [4–6], и практически всегда наблюдаемые при сопровождаться более чем однократным изменением этих переходах изменения магнитных характеристик (назнака производной магнитострикции по полю. Наши магниченности, вращающих моментов и т. д.) удавалось измерения показывают, что эта производная дважды объяснить в рамках традиционных моделей изотермименяет знак как при вводе, так и при выводе поля.

ческого перемагничивания двух- или четырехподреше2) Кривые магнитоиндуцированных упругих деформаточного метамагнетика. При измерении полевых завиций, получаемые при вводе поля и его выводе, соверсимостей упругих деформаций в DyAlO3 (и TbAlO3) шенно отличны друг от друга и в некоторой степемы впервые получили результаты, которые никак не ни зеркально-симметричны относительно оси абсцисс.

вписывались в существующие модели изменения магниВ случае TbAlO3 эта зеркальная симметрия проявляется тострикции редкоземельных ионов при переходе от AFеще ярче (рис. 3).

к F-структуре.

3) Обращение знака изменения величины поля в любой точке как на прямой (ввод поля), так и на обратной (вывод поля) ветвях кривой магнитоиндуцированных 2. Эксперимент деформаций приводит к быстрому переходу магнитной Необычное поведение магнитоиндуцированных упру- системы кристалла на другую ветвь. При этом очень малые динамические вариации величины поля (индугих деформаций при метамагнитных переходах было сначала обнаружено в серии экспериментов по измере- цируемые многократными переключениями направления нию полевой зависимости магнитострикции ортоалюми- изменения величины тока в соленоиде) приводят к обратимому „переключению“ деформаций.

ната диспрозия при различных ориентациях внешнего 4) При уменьшении температуры от T = TN в обмагнитного поля в ab-плоскости кристалла. Измерения проводились в интервале температур 1.5–4.2 K в магнит- ласти упорядочения ионов Dy величины наблюдаемых ных полях до 4 T с целью определения величин магни- аномалий сначала быстро возрастают, а затем, начиная тоупругих констант редкоземельных ионов. Поскольку с температуры T 2.2 K, так же быстро уменьшаются аномальное поведение деформаций наиболее ярко про- и при самой низкой достигнутой в наших эксперименявлялось при намагничивании кристалла вдоль b-оси, в тах температуре (около 1.5 K) практически полностью дальнейшем для максимального упрощения интерпрета- исчезают.

ции экспериментальных данных использовалась именно Дополнительные эксперименты с изменением макситакая симметричная ориентация поля, обеспечивающая мальной величины поля в цикле ввода-вывода (рис. 4) Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1272 И.Б. Крынецкий, В.М. Матвеев, В.В. Матвеев Рис. 2. Полевые зависимости магнитоиндуцированных деформаций в DyAlO3 при разных температурах. Стрелки указывают направление процесса намагничивания (увеличение или уменьшение внешнего магнитного поля).

показали, что существенное различие упругих деформаций при вводе и выводе поля не связано с возможным существованием каких-либо метастабильных состояний магнитной системы. При любой максимальной величине вводимого поля (практически начиная со сколь угодно малых его значений) смена знака изменения величины этого поля, т. е. его уменьшение, сразу же переводит систему на обратную ветвь полной кривой (т. е. кривой, получающейся для максимально достижимых в эксперименте магнитных полей 4.3 T).

Было замечено, что аналогичный эффект изменения магнитного состояния наблюдался в „жестких“ сверхпроводниках 2-го рода с сильным пиннингом [7]. Поэтому предварительная теоретическая интерпретация наРис. 3. Полевая зависимость магнитоиндуцированных дефор- блюдаемых аномалий базировалась на предположении, маций в TbAlO3. что природа эффекта связана с мезоскопической струкФизика твердого тела, 2005, том 47, вып. Низкотемпературное квазиадиабатическое перемагничивание редкоземельных изинговских... Рис. 4. Изменение магнитоиндуцированных деформаций в DyAlO3 циклах ввода–вывода магнитного поля для различных значений величины максимального вводимого поля. Температура гелиевой ванны T = 2.69 K.

турой исследуемого антиферромагнитного соединения намагниченности (рис. 5), а также кривых магнитоиндуво всей области упорядочения системы изинговских цированных деформаций при различных скоростях ввода ионов Dy. При этом магнитокалорический эффект всегда поля (рис. 6). Как видно из рис. 5, кривые намагнипринимался во внимание, но возможность квазиадиа- ченности также имеют аномальный характер. Полевые батичности процессов намагничивания казалась невоз- зависимости намагниченности при вводе и выводе поля можной, поскольку скорости ввода и вывода внешнего совершенно различны, причем как на прямой, так и магнитного поля были неизмеримо меньше тех величин, обратной ветвях четко выделяется точка излома, в которые реализуются при экспериментах в импульсных которой происходит смена характера изменения намагполях, когда магнитокалорический эффект действитель- ниченности кристалла. Например, при вводе поля намагно играет принципиально важную роль. ниченность до этой точки ведет себя так, как будто она Выбор адекватной интерпретации обнаруженных ано- измеряется при существенно более низкой температуре, малий был сделан на основании измерений кривых чем температура гелиевой ванны, а выше этой точки — Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1274 И.Б. Крынецкий, В.М. Матвеев, В.В. Матвеев как при значительно более высоких температурах (и как следствие ее насыщение наблюдается в полях, намного больших расчетных полей насыщения при изотермическом намагничивании кристалла). При выводе поля наблюдается обратная ситуация, причем уменьшение поля в области насыщения сначала приводит даже к небольшому увеличению намагниченности. Но самое главное, как и в случае деформационных кривых, наблюдаются „переключения“ между обратной и прямой ветвями при малых вариациях величины поля, причем уменьшение поля на прямой ветви приводит к положительному скачку намагниченности, а увеличение поля на обратной ветви — к отрицательному. Отсюда следует, что все эти процессы не являются изотермическими и должны рассматриваться как квазиадиабатические.

Дополнительное подтверждение необходимости интерпретации наблюдаемых процессов намагничивания как квазиадиабатических было получено при изменении зависимости кривых магнитоиндуцированных упругих деформаций при различных скоростях ввода и вывода поля. Как видно из рис. 6, увеличение скорости ввода поля, т. е. возрастание степени адиабатичности процессов намагничивания, приводит к заметному увеличению аномалий на этих кривых (то же самое наблюдается и при выводе поля).

3. Теория С учетом конкретной геометрии эксперимента и полученных результатов теоретическая интерпретация обнаруженных аномалий процессов намагничивания при Рис. 5. Петли намагниченности DyAlO3 в циклах ввода–вывометамагнитном переходе AF–F в изинговском антида магнитного поля.

ферромагнетике DyAlO3 основывалась на следующих предположениях.

1) Справедлива двухподрешеточная модель изинговского антиферромагнетика, в которой одна подрешетка получается путем объединения реальных подрешеток и 4, а другая — подрешеток 2 и 3 (рис. 1, c). Фактически это предположение эквивалентно условию точной ориентации внешнего магнитного поля вдоль оси b кристалла, поскольку в этом случае исходная четырехподрешеточная модель ортоалюмината, диспрозия автоматически сводится к двухподрешеточной модели (при тех фактических параметрах межподрешеточных взаимодействий, которые устаналивались выбором формы образцов). Очевидно, что в двухподрешеточной модели „изинговской“ осью рассматриваемого антиферромагнетика является ось b кристалла.

2) При низких температурах магнитные ионы Dy3+ в ортоалюминате диспрозия можно рассматривать как двухуровневые квантовомеханические системы, поскольку основной крамерсовский дублет иона отделен от возбужденных уровней значительным энергетическим Рис. 6. Кривые магнитоиндуцированных деформаций при различных скоростях ввода поля. dH/dt = 0.84 (1), 1.5 (2), 4.2 интервалом (порядка 50 cm-1).

(3), и 9.1 kOe/min (4).

Pages:     || 2 | 3 |



© 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.