WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 11 Антиферромагнитный фотогальванический эффект в ортоалюминатах © В.В. Меньшенин Институт физики металлов Уральского отделения Российской академии наук, 620219 Екатеринбург, Россия E-mail: menshenin@imp.uran.ru (Поступила в Редакцию 12 января 2004 г.

В окончательной редакции 19 марта 2004 г.) На основе феноменологического подхода дано описание антиферромагнитного фотогальванического эффекта в ортоалюминатах Gd, Dy, Tb. Рассмотрены случаи линейной и циркулярной поляризации света.

1. Введение магнитной волны. Его симметрия совпадает с симметрией тензора пьезомагнетизма.

Антиферромагнитный фотогальванический эффект Обратим также внимание на особенности фононно(АФФЭ) представляет собой генерацию светом постого механизма АФФЭ. Дело в том, что в отличие от янного электрического тока в центроантисимметричных немагнитных сред, где экспериментально наблюдался (ЦАС) антиферромагнетиках в отсутствие постоянного фотогальванический ток, в ЦАС антиферромагнетиках электрического поля и пространственных неоднороднонет пьезоэффекта, однако имеется магнитоэлектричестей. Феноменологическая теория этого эффекта для ский эффект (МЭ). Поэтому дальнодействующая часть антиферромагнетиков тетрагональной и тригональной электрон-фононного взаимодействия в ЦАС антиферсингоний построена в [1]. Микроскопический фононный ромагнетиках может быть обусловлена поляризацией механизм этого явления предложен в [2].

среды, вызванной внешним магнитным полем за счет С позиций феноменологического подхода особенноМЭ, и ее модуляцией фононами.

стью АФФЭ является то, что в ЦАС антиферромагнетиПредставляет интерес расширить список материалов, ках преобразование вектора антиферромагнетизма L под в которых АФФЭ возможен для экспериментального действием операций симметрии среды может приводить наблюдения. К таким материалам относятся ортоалюмик смене его знака. Это происходит в том случае, когда наты. Магнитные свойства и МЭ в них подробно исслевсе магнитные атомы в решетке занимают одну и ту же дованы, поэтому имеется обширная информация, касаюпозицию, а операции кристаллохимической симметрии щаяся их магнитных и магнитоэлектрических свойств.

переводят атомы одной магнитной подрешетки в атомы Ввиду низкой кристаллохимической симметрии ортодругой подрешетки. Такая перестановка, в частности, алюминатов условия возбуждения линейного фототока в имеет место в ЦАС антиферромагнетиках, где после них не столь разнообразны, как в тетрагональных антимагнитного упорядочения центр симметрии становится ферромагнетиках. Поэтому в ортоалюминатах необходицентром антисимметрии и справедливо равенство мо исследовать не только линейный, но и циркулярный АФФЭ.

1L = -L. (1) Поэтому только в ЦАС антиферромагнетиках плотность фотогальванического тока может быть записана в виде 2. Обменные магнитные структуры ji = i jklLjekeJ, (2) l Рассмотрим соединения типа RA1O3 с кристаллохимической симметрией Pbnm(D16). Здесь R — ионы 2h где i jkl — антиферромагнитный фотогальванический редкоземельного металла (Gd3+, Dy3+, Tb3+), занимаютензор, e — вектор поляризации света, J —интенсивщие кристаллохимические позиции 4c. Кристаллографиность света.

ческие оси будем считать ориентированными вдоль осей В работе [1] проведен анализ линейного АФФЭ в второго порядка. В табл. 1 приведены перестановочные трирутилах, ортофосфатах и ортованадатах, а также соотношения для ионов в позиции 4c. С помощью этой в Cr2O3. В этом случае ток может генерироваться таблицы можно легко установить, что в ортоалюминатах линейно поляризованным светом. Антиферромагнитный имеются две обменные магнитные структуры (ОМС) фотогальванический тензор iLjkl, равный (взаимная ориентация намагниченностей подрешеток), нечетные относительно инверсии. Первая из них четна iLjkl = Re i jkl, (3) относительно винтовой оси 21x и называется структуопределяет связь между направлением фототока, ориен- рой типа a, а вторая четна относительно оси 21y и тацией вектора L и направлением поляризации электро- обозначается символом g. Для этих структур имеем Антиферромагнитный фотогальванический эффект в ортоалюминатах Таблица 1. Перестановочные соотношения для ионов в уже отмечалось, тензор iL(al) совпадает по симметрии с jk позиции 4c тензором пьезомагнетизма. Индекс a в круглых скобках указывает на то, что тензоры относятся к ОМС g 1 21x 21y 1(-)2x (+)2y (-). Из равенств (5) следует, что направление распространения фототока в GdAlO3 перпенди1 2 3 кулярно поляризации света, если одна из компонент 2 1 4 вектора поляризации равна нулю, а две другие отличны 3 4 1 4 3 2 1 от нуля. Ток может генерироваться вдоль любой из осей кристалла при соответствующем выборе направления Таблица 2. Неприводимые представления группы Pbnm поляризации электромагнитной волны.

Выясним теперь, к каким изменениям в выражении Комбинации Магнитная для тока приведет наличие компоненты gy. ОМСтипа g 1 21x 21y 21z базисных векторов точечная группа представлена вторым равенством в (4). Она отличается +1 +1 +1 +1 mxmymz 1 от ОМС типа a четностью винтовой оси 2y. Поэтому +1 +1 -1 -1 mxm ym z в вещественной части фотогальванического тензора от +1 m xmym z 3 -1 +1 -личны от нуля другие компоненты. Плотность фотогаль +1 m xm ymz 4 -1 -1 +ванического тока, связанная с вектором g Oy, равна m xm ym z 5 -1 +1 +1 +1 ax, gy L(g L(g) mxmym z 6 -1 -1 -1 +1 gx, ay jx = 2xyz) ez ey gyJ, jy = 2yyzxez ex gyJ, y mxm ymz 7 -1 -1 +1 -1 az m xmymz 8 -1 +1 -1 -1 gz L(g) L(g) L(g) jz = z yxxe2 + z yyye2 + zyzze2 gyJ. (6) x y z Сравнивая равенства (5) и (6), видим, что имеется сущесоотношения [3] ственное различие для компоненты jz фотогальваниче ОМС 1(-)2x (+)2y (-), a = M1 - M2 + M3 - M4, ского тока. Действительно, если магнитная структура не содержит вклада от gy, фототок вдоль оси z появляется ОМС 1(-)2y (+)2z (-), g = M1 - M2 - M3 + M4, (4) при поляризации света e =(ex, ey, 0), тогда как при наличии gy составляющая jz фототока генерируется где Mi (i = 1,..., 4) — локальные подрешеточные при поляризации света вдоль любой из осей координамагниченности. В табл. 2 содержатся неприводимые нат. Таким образом, АФФЭ может прямо подтвердить представления группы Pbnm с указанием компонент наличие или отсутствие составляющей gy в магнитном базисных векторов a и g, преобразующихся по этим упорядочении CdAlO3.

представлениям. Отметим, что две другие возможные ОМС являются четными относительно инверсии и не представляют для нас интереса.

4. Ортоалюминаты диспрозия и тербия Нейтронографические данные и исследования опти3. Ортоалюминат гадолиния ческих переходов между уровнями мультиплетов [4–6] В GdAlO3 в основном состоянии реализуется пред- позволяют утверждать, что в этих ортоалюминатах имеется неколлинеарная ОМС с четырьмя магнитными ставление. Результаты, полученные при исследовании подрешетками в ориентационном состоянии axgy, т. е.

МЭ, указывают на наличие у GdAlO3 ориентационного состояния axgy типа „крест“ в плоскости xy [3]. Однако, снова реализуется представление. В [3] показано, что в этих ортоалюминатах структуру axgy можно предстапоскольку компонента xx магнитной восприимчивости стремится к нулю при T 0, а во внешнем магнитном вить в виде двух антиферромагнитных конфигураций с поле H, параллельном оси x, наблюдается спин-флоп- векторами антиферромагнетизма переход, наибольшим вектором антиферромагнетизма L1 = M1 - M2, L2 = M3 - M4, (7) является вектор a Ox, а компонента gy если и присутствует, то только в виде малой добавки [3].

вставленных друг в друга. При этом векторы L1 и LРассмотрим сначала случай, когда компонента gy оториентированы по главным осям g-тензоров ионов, сутствует. В этом случае имеем следующие выражения связанных инверсией. Тогда для компонент плотности линейного фотогальванического тока:

a = L1 + L2, g = L1 - L2. (8) L(a) L(a) jx = 2xxyz ey ez axJ, jy = 2yxzxez ex axJ, В этом случае в основном состоянии L1 + L2 x, а L1 - L2 y. Ясно, что в DyAlO3 и TbAlO3 выражения L(a) jz = 2zxxyex ey axJ, (5) для компонент фотогальванического тока представляют ) где iL(al) = Re i(akl — компоненты вещественной части собой сумму равенств (5) и (6), где теперь под ax и gy jk j антиферромагнитного фотогальванического тензора. Как нужно понимать соответственно (L1 + L2)x, (L1 - L2)y.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 2016 В.В. Меньшенин 5. Циркулярный антиферромагнитный замечание справедливо, если отличны от нуля только две компоненты поляризации света.

фотогальванический ток Остановимся теперь на существенном отличии АФФЭ Выше проанализирована ситуация, когда свет поляри- от фотогальванического эффекта в немагнитных кризован линейно. Обратимся теперь к случаю, когда он сталлах. Рассмотрим для этого действие операции инимеет циркулярную поляризацию. Для этой поляризации версии времени на правую и левую части равенства (2).

света в выражение для фототока входит только мни- Поскольку при замене t -t плотность тока j и вектор мая часть антиферромагнитного фотогальванического антиферромагнетизма L меняют знак, а e e, тензор тензора iLjkl не должен менять знак, а Im i jkl изменит знак.

Im i jkl = i jsskl, (9) Следовательно, антисимметричная часть антиферромагнитного фотогальванического тензора должна обращатьгде тензор i js не обладает какими-либо свойствами ся в нуль, если пренебречь диссипацией света. Поэтому при перестановке его индексов. Воспользуемся для для АФФЭ бездиссипативные токи могут генерироваться определения отличных от нуля компонент тензора i js только линейно поляризованным светом, тогда как в выражением для циркулярного фототока немагнитных средах они генерируются циркулярно поляризованным светом.

ji = i(as){L1 + L2}j[e, e]s + i(gs){L1 - L2}j[e, e]s J j j (10) 6. Заключение и правилом, согласно которому каждый материальный тензор преобразуется под действием операций симметВыше на основе феноменологического подхода проверии среды в соответствии с правилом преобразования ден анализ как линейного, так и циркулярного фотогальтех величин, которые он связывает, а именно как их ванического тока в ортоалюминатах Gd, Dy, Tb.

произведение. Таким образом, под действием операций Отметим прежде всего, что для ортоалюмината Gd кристаллохимической симметрии i js преобразуется как остается открытым вопрос о наличии в основном сопроизведение jiLj[e, e]s. В равенстве (10) индексы (a) и (g) связаны с ОМС, описываемыми векторами L1 + L2 стоянии ОМС 1(-)2y (+)2z (-). В принципе ответ на него можно получить с помощью АФФЭ, а именно:

и L1 - L2.

если для линейно поляризованного вдоль любой из Выясним, какие компоненты для тензора i(as) отличны j осей координат света генерируется фототок вдоль оси z от нуля. Поскольку сумма векторов L1 + L2 имеет неравкристалла, то такая ОМС присутствует. Распространеную нулю проекцию только на ось x, нам необходимо ние линейного фототока в GdAlO3 в отсутствие ОМС (a рассмотреть только величины ixs). Непосредственная всегда происходит в направлении, перпендикулярном проверка с учетом того, что ОМС является четной поляризации света.

относительно оси 2x, показывает, что отличны от нуля В DyAlO3 и TbAlO3 имеются обе возможные ЦАС следующие компоненты:

обменные магнитные структуры. Поэтому одной из (a) (a) (a) наиболее удобных для наблюдения фототока в этих орxxx, yxy, zxz.

тоалюминатах является ситуация, при которой поляризация электромагнитной волны и генерируемый фототок Для структуры типа g не равны нулю направлены вдоль одной и той же оси — z. Направление (g) (g) (g) xyx, yyy, zyz. распространения фототока при любой другой поляризации света ортогонально последней и определяется из В результате для циркулярно поляризованного света равенств (5) и (6) с учетом указанной ранее замены (8).

плотность фотогальванического тока равна Приведем теперь некоторые соображения относительно порядка величины генерируемых фототоков. Посколь (a) (g) jx = xxx{L1 + L2}x + xyx{L1 - L2}y ey e - ez e J, z y ку фононный механизм реализуется и здесь, приведенная в [2] качественная оценка величины тока справедлива (a) (g) и в ортоалюминатах Dy и Tb, когда он распростраjy = yxy{L1 + L2}x + yyy{L1 - L2}y (ez e - ex e) J, x z няется вдоль оси z кристалла. Действительно, мета (a) (g) магнитный переход от антиферромагнитной к ферроjz = zxz {L1 + L2}x + zyz {L1 - L2}y ex e - eye J.

y x магнитной ОМС происходит в DyAlO3 и TbAlO3 в (11) магнитных полях H 5 kOe, поэтому используемая в В ортоалюминате Gd при выполнении условия gy = работе [2] величина поля H 1 kOe применима и в в равенствах (11) остаются лишь слагаемые, пропорэтом случае. Температурный интервал существования (a) (a) (a) циональные xxx, yxy, zxz. Направление распростра- антиферромагнитного порядка в ортоалюминатах Dy и нения фотогальванического тока, как следует из (11), Tb совпадает с использованным при оценке фототока при циркулярной поляризации электромагнитной волны в [2]. Таким образом, j(CGS) 10-5J (erg/cm2 · s), где перпендикулярно плоскости ее поляризации. Последнее J — интенсивность света.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Антиферромагнитный фотогальванический эффект в ортоалюминатах В работах [7–9] изучались токовые состояния и, в частности, фотогальванический эффект в „экситонных“ диэлектриках. Появление этих состояний вызвано неустойчивостью системы относительно электрондырочного спаривания в процессах рассеяния электронов на дырках. Было показано, что объемный фотогальванический эффект связан с наличием межзонных переходов, приводящих к появлению мнимой части синглетного параметра порядка. Макроскопически ее появление эквивалентно наличию у среды антисимметричных компонент магнитоэлектрического тензора.

Указанный механизм фотогальванического эффекта в орторомбических кристаллах может реализоваться, если магнитная точечная симметрия основного состояния есть mmm (D2h(C2v)). Однако в рассматриваемых ортоалюминатах основное состояние имеет симметрию m m m (D2h(D2)), т. е. в этом состоянии существует только симметричный магнитоэлектрический тензор. Поэтому описанные в работах [7–9] причины, приводящие к фотогальваническому эффекту, не действуют в ортоалюминатах до тех пор, пока не изменится магнитное состояние кристалла.

Заметим теперь, что в GdAlO3 спин-флоп-переход во внешнем магнитном поле происходит в состояние az, которое характеризуется точечной магнитной симметрией mm m(D2h(C2v)). В этом случае, если магнитное поле не слишком сильно влияет на электрон-дырочное спаривание, по-видимому, возможна реализация механизма фотогальванического эффекта, предложенного в [7–9].

В ортоалюминатах DyAlO3 и TbAlO3 во внешнем магнитном поле имеет место переход в промежуточное состояние, в котором появляются недиагональные компоненты магнитоэлектрического тензора 13 и 31 [3].

Pages:     || 2 |



© 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.