73574

Информация о магнитных свойствах, которая может быть получена из нейтронографических данных (магнитные фазовые переходы, температурные зависимости намагниченности

Лекция

Физика

Зависимость величины намагниченности Co подрешетки от внешнего поля отчетливо видна на рис. Подчеркнем что полевая зависимость спонтанной намагниченности монокристалла ErCo2 измеренная при 36 K с помощью магнитометра имеет вид типичный для парамагнитного состояния.

Русский

2014-12-18

955 KB

1 чел.

Лекция № 9

Информация о магнитных свойствах, которая может быть получена из нейтронографических данных (магнитные фазовые переходы, температурные зависимости намагниченности). Спонтанные, концентрационные и индуцированные спин-переориентационные переходы

На предыдущих лекциях мы обсуждали с Вами как провести нейтронографический эксперимент, как выполнить расчет нейтронограмм, чтобы определить ориентацию и величину магнитных моментов. Сегодня мы рассмотрим с Вами несколько примеров того, какая информация о магнитных свойствах магнетика может быть получена, если нам известны ориентация и величина магнитных моментов атомов, составляющих данный образец. Хотя главная задача, решаемая методом упругого магнитного когерентного рассеяния это определение магнитной структуры, тем не менее, этот метод эффективен и при решении ряда других проблем. Например, зонный метамагнитный переход, определение магнитных формфакторов, установление киральности магнитной структуры и ряд других задач.

1. Магнитная структура. Под определением магнитной структурой понимается установление взаимной ориентации магнитных моментов и их ориентации относительно кристаллографических осей. За 55 лет развития нейтронографического метода было установлено несколько тысяч магнитных структур. Давайте рассмотрим несколько примеров. Рис.1 показывает температурную зависимость намагниченности M и M (вдоль и попрек с-оси) для соединения La0.75Sm0.25Mn2Si2 во внешнем поле 0H = 0.5 kOe.              

                

Рис. 1. Данные магнитных измерений для La0.75Sm0.25Mn2Si2 в поле 0H = 0.5 kOe.   

Как видно, можно выделить три магнитоупорядоченные области с критическими температурами TSm = 14, TAF =160 and TC =305 K. Какие магнитные структуры реализуются при этих температурах? Ответ может быть получен из нейтронограммы (см. рис. 2).

                     

                         Рис. 2. Нейтронограммы La0.75Sm0.25Mn2Si2 при 200 и 350 K 

Рис. 3 представляет магнитные структуры La0.75Sm0.25Mn2Si2, которые установлены из нейтронографии.

                

Рис. 3. Магнитные структуры в La0.75Sm0.25Mn2Si2 (стрелки показывают проекции a, b, и c полного магнитного момента атома.

 

Прежде всего, расчет нейтронограмм указал на существование дальнего магнитного порядка при температурах T >305 K, тогда как согласно данным магнитных измерений, Т =305 К это температура перехода в парамагнитное состояние. В действительности антиферромагнитное упорядочение существует до TN=350 K, в этом случае моменты марганцевых атомов лежат в базисной плоскости, т.е. имеются только a и b компоненты момента. особенностью упорядочения с z- компонентой является отчетливая зависимость типа упорядочения этой компоненты от расстояния между марганцевыми атомами в ab- плоскости. Критическое расстояние, при котором знак обменного интеграла изменяется, составляет 2.85 -2.87 Å. Магнитные моменты ионов Sm упорядочены ферромагнитно при TSm < 14 K и разупорядочены при более высоких температурах.

Другое приложение магнитного рассеяния нейтронов связано с исследованиями магнитных фазовых переходов.

2. Зонный электронный метамагнетизм в соединениях RCo2 

В редкоземельных кубических соединениях со структурой фаз Лавеса RCo2 наблюдается так называемый зонный метамагнитный переход: магнитный момент кобальтовой подрешетки MCo, резко увеличивается до 1 μB, когда эффективное поле Heff, действующее со стороны R ионов на d- электронную подсистему, достигает критического значения Hc70 T. Величина Heff в RCo2 может быть изменена замещением одного сорта R-ионов на другой  R'. Поле Heff = Hmol  H представляет собой сумму молекулярного поля и внешнего приложенного магнитного поля. Молекулярное поле, Hmol, происходит из-за f-d обменного взаимодействия между локализованными f-электронами и зонными 3d- электронами Со, гибридизированными с 5d-электронами редкоземельных ионов. Так как существует две магнитных подсистемы, то изучение зонного метамагнитного перехода с помощью магнитных методик весьма затруднено, напротив, нейтронографический метод, как показали проведенные эксперименты является очень эффективным инструментом в данном случае.

Рис. 4 показывает порошковые нейтронограммы соединения Tb0.1Tm0.9Co2 в отсутствие внешнего поля и во внешнем поле 0= 1 T. Видно, что приложение внешнего поля сопровождается увеличением интенсивностей рефлексов почти в 10 раз. Из расчетов нейтронограмм следует, что намагниченность R подрешетки увеличивается от 3 до 7 B, а Сo-подрешетки от 0.2 to 0.8 B, что и свидетеьствует о метамагнитном зонном переходе.

    Рис. 4. Нейтронограммы соединения Tb0.1Tm0.9Co2 в нулевом поле и в  поле 0= 1 T.

Зависимость величины намагниченности Co подрешетки от внешнего поля отчетливо видна на рис. 5. Эти данные были получены с помощью рассеяния нейтронов на монокристалле ErCo2. Лишь ближний магнитный порядок существует при 36 K. Если приложить внешнее поле 0= 1 T, то намагниченность Co атомов достигает значения 1 B. Подчеркнем, что полевая зависимость спонтанной намагниченности монокристалла ErCo2, измеренная при 36 K с помощью магнитометра, имеет вид, типичный для парамагнитного состояния.

                     

Рис. 5. Полевая зависимость намагниченности Co атомов в монокристалле ErCo2 при 36 K.

3. Спин-переориентационные переходы и анизотропия намагниченности

Магнитные переходы типа порядок – беспорядок изучены в большей степени, чем переходы типа порядок – порядок. К числу последних относятся спин-переориентационные переходы, которые мы сейчас и рассмотрим. Они могут быть спонанными, т. е. происходить при изменении температуры, так и индуцированными, например, приложением внешнего магнитного поля.

Чтобы понять механизм спин-переориентационного перехода мы рассмотрим двухподрешеточный (R+M) магнетик. Подрешетки взаимодействуют между собой. это взаимодействие будем описывать обменным интегралом IR-M. Пусть первые константы анизотропии R- и M-подрешеток имеют разные знаки. для определенности будем считать, что константа анизотропии R подрешетки (KR) положительна, а M подрешетки - отрицательна (KM). Пусть далее KR > KM при низких температурах, тогда полный момент магнетика должен будет ориентироваться вдоль направления оси легкого намагничевания R-подрешетки. Так как намагниченность R подрешетки убывает с температурой много быстрее, чем М намагниченность, то при некоторой температуре будет выполняться условие KR < KM. Тогда, полный момент магнетика повернется от оси легкого намагничевания редкоземельной подрештеки к оси легкого намагничевания М подрешетки, т.е. произойдет спонтанный спин-переориентационный переход. Если кристалл одноосный, например, гексагональный, то вращение магнитного момента будет отчетливо видно на температурных зависимостях интенсивности ряда рефлексов, в частности, с индексами (100), (110) и (001). Рис. 6 показывает такие зависимости в случае монокристалла Tm2Fe17.

                                

                     Рис. 6.  -сканы на Tm2Fe17 монокристалле при 70, 90 и 110 K.

Интенсивность рефлекса (002) увеличивается с температурой на интервале 80 – 100 K, тогда как интенсивность (110) уменьшается (см. рис. 7). Расчет интенсивностей позволяет установить зависимость угла меду направлением момента и осью с от температуры, представленная на рис. 8. Видно. что намагниченности обеих подрешеток, вращаются от с –оси к базисной плоскости, имеет место спин-перориентационный переход типа «легкая ось» –

«легкая плоскость».

                                           

           Рис. 7.  Температурные зависимости интегральных интенсивностей (110) и (002) рефлексов.

                                        

    Рис. 8. Температурная зависимость угла между осью с и намагниченностями Tm- и  Fe- подрешеток в Tm2Fe17.

Спин-переориентационные переходы часто сопровождаются аномалиями в температурных зависимостях многих свойств: параметров решетки, удельной теплоемкости, электросопротивления, намагниченности и т.д. С точки зрения приложения магнитной нейтронографии интересно обсудить аномалию намагниченности.

Эта аномалия называется анизотропией спонтанной намагниченности. Это означает, что величина намагниченности изменяется при изменении намагниченности от оси легкого намагничевания к трудному направлению. Явление было предсказано теоретически [E. R. Callen and H. B. Callen, J. Phys. Chem. Solids 16 (1960) 310] и затем было обнаружено во многих магнитных системах. Анизотропия намагниченности происходит из-за существования магнитной кристаллической анизотропии, которая сильно влияет на заполнение энергетических уровней основного мультиплета при ненулевой температуре. Механизм анизотропии намагниченности следующий. Пусть намагниченности ориентирована вдоль легкого направления при низкой температуре и вдоль тяжелого направления при высокой температуре (см. рис. 9).

                  

Рис. 9. Схема, поясняющая влияние магнитокристаллической анизотропии на величину намагниченности.

Тогда, при низких температурах магнитная анизотропия будет стремиться ориентировать магнитные моменты вдоль легкого направления намагниченности. Следовательно, намагниченность будет убывать с температурой более медленно, чем в случае отсутствия анизотропии. Напротв, при высоких температурах, когда намагиченность ориентирована вдоль трудного направления магнитная анизотропия будет ослаблять действие обмена, что приведет к более быстрому падению намагниченности с температурой. В итоге, намагниченность будет испытывать скачок при вращении магнитного момента от легкого к трудному направлению.

Это явление было впервые обнаружено экспериментально при измерении никелевого кристалла [P.Escudier, Annal. Physique 9 (1975) 125], и было показано, что величина эффекта составляет 10-2 %. В нашей работе [Ермоленко и др., ЖЭТФ 69 (1975) 69] было обнаружено, что в соединениях RCo5 величина достигает гигантского значения /  10 %. Как видно из рис. 10, близкое к 10 % значение анизотропии намагниченности обнаружено Tm2Fe17.   

             

Рис. 10. Температурная зависимость намагниченности Tm-ионов в позиции 2b.  

      

Давайте, сейчас поговорим об индуцированных спин-переориентационных переходах. В качестве примера такого перехода, рассмотрим переход в TbMn6Sn6 при воздействии внешним магнитным полем. Рис. 11 показывает порошковые нейтронограмммы TbMn6Sn6, полученные при комнатной температуре в нулевом и в 4 кЭ поле.

Рис. 11. Нейтронограммы TbMn6Sn6 в нулевом и в 4 кЭ поле.

Как можно видеть, на угле 2  15 град. появляется рефлекс, когда приложено поле4 кЭ Этот пик имеет индексы (001). Возникновение пика (001) указывает на вращение магнитных моментов от peak к базисной плоскости.  Важно отметить, что приложение магнитного поля индуцирует переход первого рода, так называемый FOMP –процесс намагничевания первого рода. It Это хорошо видно из рис. 12.

                        

Рис. 12.  Полевая зависимость спонтанной намагниченности ориентированного поликристаллического образца TbMn6Sn6 вдоль и поперек с-оси.

Процесс намагничевания вдоль с-оси сопровождается скачком величины намагниченности, когда поле достигает 3 кЭ. Принимая во внимание нейтронографические данные можно сказать, что FOMP – это индуцированный полем спин-переориентационный переход.

В заключение давайте рассмотрим применение поляризованных нейтронов при иследовании магнетиков. Речь будет идти о киральности. Магнитная спиральная структура может рассматриваться как замерзшие флуктуации спиновых ориентаций. Это приводит к киральному рассеянию.

Это рассеяние определяет зависимость сечения рассеяния от исходной поляризации нейтронного пучка и изменения поляризации в процессе рассеяния. На рис. 12 показан сателлит, соответствующий вектору k для рассеяния на образце MnSi.   Сателлит исчезает, когда поляризация направлена вдоль – k.  Это означает, что спиральная структура в MnSi является левой.

                  

Рис. 12. Зависимость интенсивности сателлита Q = k от поляризации нейтронного пучка при рассеянии на MnSi [Maleev. Progress of physics sciences, 172 (2002) 617].

    

 

PAGE  14


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75934. Конституция РФ 1993 года: порядок принятия и основные особенности 19.87 KB
  Необходимость разработки и принятия новой конституции РФ была официально признана еще в середине 1990 г. и тогда же на I Съезде народных депутатов РСФСР была создана Конституционная комиссия которая за четыре месяца подготовила и опубликовала для широкого обсуждения первый проект новой конституции. В это время наряду с проектом Конституционной комиссии были внесены и ряд других проектов Конституции РФ которые также обсуждались в указанной комиссии и общественностью.
75935. Культурная политика РФ в конце ХХ – начале ХХI века 19.74 KB
  Повсеместному пользуются самыми сверхустойчивыми образцами действий которые Александр Архангельский называет матрицами российской культуры. Наблюдается в обществе кризис морали и кризис нынешнего состояния культуры психологическое здоровье российского общества. Мы знаем огромное количество поведенческих предписаний скрывающихся за фразой специфика российской культуры. Существенно возросла роль Министерства культуры РФ в разработке культурной политики в стране в продвижении проблем культуры в органы власти.
75936. Левые политические силы в РФ и их эволюция 24.17 KB
  Важной особенностью формирования социально-демократического направления стало то, что начало было положено на окраинах, где социальный гнет сопровождался национальным. В конце 1890-х гг. сложилась армянская социал-демократическая партия
75937. Либеральные и правые политические партии в РФ и их эволюция 18.95 KB
  Распад КПСС и возникновение многопартийности В первой половине 1990 г. происходит углубление политического размежевания на сторонников и противников курса Горбачева внутри КПСС. Сторонники консервативной оппозиции выступали за сплочение КПСС на ленинских основах сохранение классового подхода вместо общечеловеческих ценностей уничтожение частной собственности на основе общего владения средствами производства. Одновременно в лагере либеральной оппозиции возникло демократическое движение коммунистов которое предполагало достичь обновления...
75938. Межнациональные отношения и миграционные процессы в РФ в начале ХХI века 18.75 KB
  Однако сейчас в современной России безусловно одна из самых острых проблем межнациональные отношения. По мнению эксперта фонда Карнеги Лилии Незамовой Сегодня многонациональность России дополняется и усложняется эффектами полиэтничности иммиграцией из бывших республик Советского Союза вьетнамской китайской афганской и др. Премьерминистр Дмитрий Медведев утвердил в августе федеральную целевую программу Укрепление единства российской нации и этнокультурное развитие народов...
75939. Место и роль России в современных международных процессах: оценки и дискуссии 18.05 KB
  Геополитическое положение России уникально она находится между двумя крупнейшими центрами современной мировой экономики. Вместе с тем геополитическое положение России подразумевает высокую ответственность и требует серьезных усилий при его использовании. Тем не менее в ряде важнейших областей реальное положение России в мире...
75940. Наследие Российской империи и современная внешняя политика Российской Федерации 16.67 KB
  Postimperium как внутренний социальный и политический порядок означает что при доминировании новых начал в экономической и политической жизни России рынок большая открытость в политике предполагающей существование не зависимых от государства акторов она ограничивается институтами и традициями почерпнутыми из имперского прошлого. Зато правящие слои хотят быть глубоко интегрированными по разным линиям деловой в области престижного потребления образования в мировую капиталистическую элиту но при этом внутри России играть по...
75941. Особенности политических конфликтов в России в 1992-1993 годах 19.86 KB
  Еще одна особенность проявляется в том что все более или менее крупные конфликты в России с давних пор чрезмерно идеологизированы. Становление новой социально-экономической и общественно-политической системы России сопровождалось политическими потрясениями и кризисами. Политическая элита России раскололась на два лагеря.
75942. Особенности политических конфликтов в России. Характеристика общего кризиса власти 1992-1993 годах 22.78 KB
  Характеристика общего кризиса власти 1992-1993 гг. Содержание политических конфликтов в отдельной стране зависит от структурных и функциональных характеристик политической власти потребностей политического развития общества состояния идеологии традиций и опыта политической борьбы особенностей политической культуры. Ряд особенностей российской конфликтности тесно связан с элементами византийского влияния откуда берет свое начало российское самодержавие как устойчивая форма ярко выраженной централизованной власти. Характеристика общего...