Роль подовжніх коливань намагніченості в динаміці орієнтаційних переходів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. О.О. ГАЛКІНА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття ученого ступеня кандидата фізико-математичних наук

РОЛЬ ПОДОВЖНІХ КОЛИВАНЬ НАМАГНІЧЕНОСТІ В ДИНАМІЦІ ОРІЄНТАЦІЙНИХ ПЕРЕХОДІВ

01.04.11 -магнетизм

Непочатих Юрій Ілліч

Донецьк - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донецькому фізико-технічному інституті імені О.О. Галкіна НАН України

Науковий керівник - доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Даньшин М.К. ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАН України, старший науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, член-кор. НАН України, професор Харченко М.Ф. ФТІНТ ім. Б.Ї. Вєркіна НАН України, м. Харків, завідувач відділу;

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Тарасенко С.В. ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАН України, провідний науковий співробітник.

Провідна установа - Донецький національний університет, фізичний факультет, кафедра радіофізики, Міністерство освіти і науки, м. Донецьк.

Захист відбудеться "__"___200_р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.184.01 у ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАН України: 83114, м. Донецьк, вул. Р. Люксембург, 72.

Автореферат розіслано "__"___200_р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 11.184.01 доктор фізико-математичних наук Криворучко В.М.

Непочатих Ю.І. Роль подовжніх коливань намагніченості в динаміці орієнтаційних переходів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01.04.11 - магнетизм. - Донецький фізико-технічний інститут ім. А.А. Галкіна НАН України, Донецьк, 2001.

Проведено експериментальне дослідження резонансних властивостей кристалів ErFeO3, SmFeO3 і Fe3BO6 поблизу орієнтаційних фазових переходів, що відбуваються в них. Виявлено внесок подовжніх коливань намагніченості у величину енергетичної щілини м'якої магніторезонансної моди в малих магнітних полях і його незалежність від співвідношення частот залізних і рідкісноземельний мод. Аналізуючи дані ряду однотипних матеріалів - рідкісноземельних ортоферитів і Fe3BO6 , показано, що внески в динаміку від прецесії і подовжніх коливань намагніченості є адитивними і конкуруючими. Парціальні величини цих внесків залежать від відношення температури переорієнтації ТSR до температури магнітного упорядкування ТN. При ТSR/ТN << 1 у малих полях основний внесок у динаміку вносить прецесія. При ТSR ® ТN зростає роль подовжніх коливань намагніченості. Визначено залежність внеску подовжніх коливань намагніченості від ТSR/ТN.

Експериментально виявлено стрибок частот м'якої квазіферомагнітної моди в Fe3BO6 у точці спонтанного орієнтаційного переходу. Теоретично цей стрибок пояснено внеском дипольної взаємодії у вираз для м'якої квазіферомагнітної моди.

Ключові слова: орієнтаційні фазові переходи, резонансні властивості, м'яка мода, енергетична щілина, подовжні коливання намагніченості.

Непочатых Ю.И. Роль продольных колебаний намагниченности в динамике ориентационных переходов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.11 - магнетизм. - Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины, Донецк, 2001.

Проведено экспериментальное исследование резонансных свойств кристаллов ErFeO3, SmFeO3 и Fe3BO6 вблизи происходящих в них ориентационных фазовых переходов. Обнаружен вклад продольных колебаний намагниченности в величину энергетической щели мягкой магниторезонансной моды в малых магнитных полях и его независимость от соотношения частот железной и редкоземельной мод. Анализируя данные ряда однотипных материалов - редкоземельных ортоферритов и Fe3BO6, показано, что вклады в динамику от прецессии и продольных колебаний намагниченности являются аддитивными и конкурирующими. Парциальные величины этих вкладов зависят от отношения температуры переориентации ТSR к температуре магнитного упорядочения ТN. При ТSR/ТN << 1 в малых полях основной вклад в динамику вносит прецессия. При ТSR ® ТN возрастает роль продольных колебаний намагниченности. Определена зависимость вклада продольных колебаний намагниченности от ТSR/ТN .

Экспериментально обнаружен скачок частот мягкой квазиферромагнитной моды в Fe3BO6 в точке спонтанного ориентационного перехода. Теоретически этот скачок объяснен вкладом дипольного взаимодействия в выражение для мягкой квазиферромагнитной моды.

Ключевые слова: ориентационные фазовые переходы, резонансные свойства, мягкая мода, энергетическая щель, продольные колебания намагниченности.

Nepochatykh Yu.I. The role of the longitudinal oscillations of magnetization in dynamics of the orientational transitions.

The thesis for candidate's degrees by speciality 01.04.11 - a magnetism. - A.A. Galkin Donetsk Physics and Technology Institute, National Academy of Sciences of the Ukraine, Donetsk, 2001.

An experimental investigation of the resonance properties of crystals ErFeO3, SmFeO3 and Fe3BO6 at points of different orientational phase transitions has been performed. The contribution of longitudinal oscillation of magnetization in the energy gap value of the soft magnetic-resonant mode in small magnetic fields and its independence from the correlation of frequencies of iron and rare-earth modes are discovered. Analyzing data of the same type material series - rare-earth orthoferrites and Fe3BO6, shown that contributions to the dynamic from precession and longitudinal oscillation of magnetization are additive and competing ones. The partial values of those contributions depend on the reorientation temperature ТSR to the Neel temperature ТN ratio. At ТSR/ТN << 1 in small fields the magnetization precession is the main contributor to the dynamics. At ТSR ® ТN the role of longitudinal oscillations of magnetization increases. Dependence of contribution of longitudinal oscillation of magnetization from ТSR/ТN has been determined.

Jump of soft quaziftrromagnetic mode frequencies in Fe3BO6 in the point spontaneous orientational transition has been experimental discovered. Theoretically this jump is explained by the contribution of dipole interaction into the expression for the soft quaziftrromagnetic mode.

Key words: orientational phase transition, resonance properties, soft mode, energy gap, longitudinal oscillation of magnetization.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

подовжній коливання магнітний фазовий

Актуальність теми. Вивчення магнітних орієнтаційних переходів представляє науковий і практичний інтерес як для подальших досліджень у теорії магнетизму і фазових переходів, так і для використання в техніці, і зокрема, електроніці. Взаємодія високочастотної енергії з речовиною і керування параметрами такої взаємодії магнітним полем і температурою мають великий науковий і практичний інтерес. В околиці фазових переходів речовина, його елементарні збудження і їхня взаємодія в найбільшій мірі чутливі до зміни зовнішніх умов, що використовуються як керуючий вплив. Це уможливлює вивчення усе більш тонких властивостей речовини і явищ, а потім і їхнє практичне застосування.

Метод магнітного резонансу - один із самих інформативних методів дослідження магнітних матеріалів. Висока чутливість спектрів коливань до зміни зовнішніх умов і внутрішніх параметрів магнітних систем дозволяє ефективно досліджувати властивості речовини, визначати напрямки синтезування нових сполук із заздалегідь заданими властивостями.

Рідкісноземельні ортоферити (РЗОФ) відносяться до слабких феромагнетиків. Наявність у них двох магнітних підсистем з істотно різними властивостями - залізної і рідкісноземельної - унаслідок їхньої взаємодії і зміни ефективних констант анізотропії з температурою, полем чи пружними напруженнями приводить до цілого ряду орієнтаційних фазових переходів (ОФП). Фазові переходи відображаються на спектрі магнітних збуджень обох підсистем. Частота одного з типів коливань (м'яка мода магнітного резонансу) в області ОФП зменшується, потрапляючи у надвисокочастотний (НВЧ) діапазон. Дослідження поведінки м'якої моди при спіновій переорієнтації дозволяє точно визначати межі переорієнтації, будувати фазові діаграми, судити про взаємодію в магнітних підсистемах і взаємодії магнітних збуджень з іншими типами збуджень. Усе вищевикладене - доводи на користь актуальності теми, ефективності методу і перспективності об'єкта досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження з теми дисертації було виконано в рамках тематичного плану ДонФТІ НАН України за темами: “Експериментальне вивчення статики і динаміки магнітних фазових переходів у багатопідрешіткових антиферомагнетиках на основі рідкісноземельних ортоферитів” (№01900045392 держ. реєстрації); “Резонансні дослідження Магнітодіелектриків біля орієнтаційних переходів” (№0197V014941 держ. реєстрації).

Мета і задачі дослідження полягають у вивченні високочастотних властивостей ряду рідкісноземельних ортоферитів для виявлення внеску подовжніх коливань намагніченості в їхню динаміку і параметрів, що визначають такий внесок; для пошуку нових експериментальних даних, що визначають роль і взаємодію різних коливальних систем у магнетику.

Наукова новизна отриманих результатів. На захист виносяться наступні результати і висновки.

1. Розроблено методику реєстрації м'яких мод магнітного резонансу і визначення величини енергетичних щілин у міліметровому діапазоні хвиль НВЧ із модуляцією магнітного поля і скануванням температури в околиці орієнтаційних фазових переходів; зібрана експериментальна установка.

2. Відновлено спектри м'яких мод магнітного резонансу в околиці спонтанних і індукованих полем ОФП у ErFeO3, Fe3BO6, SmFeO3, виявлені й виміряні енергетичні щілини в точках цих переходів, досліджена їхня залежність від магнітного поля і температури.

3. Встановлено, що високочастотні властивості ОФП у цілому формуються під дією, як прецесії, так і подовжніх коливань намагніченості. Запропоновано параметр, що характеризує перерозподіл їхніх внесків у величини щілин: відносна температура спонтанної переорієнтації tSR, індивідуальний для кожної сполуки і спінової підсистеми.

4. Запропоновано й апробовано спосіб поділу температурного і польового внесків подовжніх коливань намагніченості у величини енергетичних щілин. Визначено залежність внеску подовжніх коливань намагніченості від параметра tSR.

5. Встановлено, що при tSR < 0,15 динаміка ОФП формується в основному спін-хвильовими механізмами і подовжні коливання не вносять відчутного внеску у високочастотні властивості, що спостерігаються в досліді. При tSR>0,7 внесок подовжніх коливань намагніченості виявляється навіть при H®0. При цьому енергетична щілина в точці переходу є результатом адитивних внесків з боку спін-хвильових і термодинамічних механізмів.

6. Експериментально виявлено стрибок частот у спектрі м'якої квазіферомагнітної моди в точці спонтанного ОФП у Fe3BO6, який може бути поясненим при врахуванні дипольної взаємодії.

7. Показано, що високочастотні властивості РЗОФ, що спостерігаються в околиці ОФП, можуть бути пояснені тільки на основі теорії, у якій враховані як спіні-хвильові так і термодинамічні механізми формування динаміки ОФП.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані результати уточнюють і доповнюють загальну картину резонансних властивостей слабких феромагнетиків. Виявлена і досліджена область параметрів, у якій виявляються ефекти кожної з двох теоретичних моделей, що виглядали раніше несумісними. У результаті визначилася актуальна необхідність створення нової, більш повної й універсальної теорії динамічних властивостей орієнтаційних переходів, розрахованої на будь-які значення температури і поля. У такій теорії існуючі спін-хвильова і термодинамічна моделі могли б бути її крайніми межами: перша - у малих полях при температурі T ®® 0, друга - при T ®® TN чи у великих полях. При цьому у відношенні більшості м'яких магніторезонансних мод, що спостерігаються в експерименті, необхідно прийняти твердження про те, що вони не можуть бути ідентифіковані ні як чисто прецесійні, і ні як винятково спінового походження; що на практиці завжди мають місце зв'язані коливання різних підсистем магнетика. (Така теорія, що враховує результати даної роботи, опублікована наприкінці 1999 року ).

Особистий внесок здобувача. Розроблено методику реєстрації м'яких мод магнітного резонансу і визначення величини енергетичних щілин у діапазоні НВЧ із модуляцією магнітного поля і скануванням температури в околиці орієнтаційних переходів; зібрана експериментальна установка. Проведено порівняльний аналіз дослідних даних щодо встановлення внеску подовжніх коливань намагніченості в динаміку орієнтаційних переходів. Визначено конкретні матеріали для проведення досліджень і їхні зразки підготовлено до експерименту. Проведено виміри; результати вимірів оброблені і підготовлено до публікації. Брав участь у поетапному плануванні роботи по темі, обговоренні і систематизації результатів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи з теми дисертації доповідались і обговорювались на: 6-м науковому семінарі “Фізика магнітних явищ” (Донецьк,1993); 3-їй міжнародної конференції “Фізичні явища у твердих тілах” (Харків, 1997), Міжнародної конференції “Фазові переходи і критичні явища в конденсованих середовищах” (Махачкала, 1998); Міжнародної конференції “Магнітні матеріали і їхнє застосування” (Мінськ,1998); Звітної конференції ДонФТІ НАН України ім. Галкіна А.А.(Донецьк, січень 2000); Міжнародної конференції “Фазові переходи і критичні явища в конденсованих середовищах” (Махачкала, 2000); Конференції ДонФТІ НАН України ім. Галкіна А.А., присвяченої 35-річчю інституту (Донецьк, грудень 2000).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 12 наукових працях, у тому числі в 6 статтях у наукових журналах, препринті і в 5 тезах конференцій.

Дисертація складається з вступу, чотирьох глав і висновку, містить 25 малюнків, таблицю і список літератури з 87 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дана загальна характеристика роботи, міститься короткий огляд дисертації, що включає основні результати роботи.

Перший розділ являє собою літературний огляд, у якому містяться вступні зведення про рідкісноземельні ортоферити, що необхідні для опису наукової проблеми, що досліджується.

У другому розділі проведено аналіз експериментальних і теоретичних робіт з теми. У ньому розкривається суть кожної з двох основних моделей, що пояснюють походження енергетичних щілин у спектрі м'якої резонансної моди (спін-хвильової [4,5], в якій уся спінова динаміка відносилася на рахунок прецесії векторів намагніченості і термодинамічної [6,7], яка необхідним чином враховує і подовжні коливання намагніченості). Виявлено області визначення цих моделей як області великих полів для термодинамічної теорії і відносно низьких температур і малих полів - для спін-хвильової, а також інтервали полів і температур: Н® 0, Т®TN (TN температура упорядкування спінової підсистеми), у яких жодна з теорій не давала задовільного пояснення експериментальних даних. Обґрунтовано припущення про несуперечність спін-хвильового і термодинамічного підходів до розрахунку величин енергетичних щілин. Для експериментального підтвердження цього намічені інтервали полів і температур (Н® 0, Т®TN), у яких повинні одночасно виявитися внески в динаміку двох названих механізмів. Показано можливості одержання даних про внесок подовжніх коливань намагніченості в динаміку спонтанних спін-переорієнтаційних переходів з величини похідної ¶n0/¶Нtr (при Нtr ® 0), за аналогією визначення такого внеску [7,8] у переходах, що ініціювалися великими магнітними полями. Тут n0 - величина частотної щілини, що спостерігається експериментально, у точках завершення спінової переорієнтації, Нtr - поле переходу при відповідній температурі. Визначено спосіб поділу температурного і польового внесків подовжніх коливань намагніченості у величини енергетичних щілин. Температурний внесок запропоновано виділити шляхом дослідження ряду однотипних матеріалів з різними температурами спонтанної переорієнтації від Т® 0 до Т®TN у малих полях. Введено параметр - відносна температура спонтанної переорієнтації tSR = TSR/TN, де TSR - усереднена температура спонтанного переходу (Т1 + T2)/2. Цей параметр є індивідуальним для кожного конкретного рідкісноземельного ортофериту, а його зростання в ряді РЗОФ, як показано далі (у четвертому розділі), веде до збільшення внеску подовжніх коливань намагніченості і перерозподілу внесків у динаміку - від спін-хвильового до термодинамічного.

У результаті: визначено, які ефекти за темою варто шукати в експерименті; намічені матеріали для дослідження з припущення, що більший внесок подовжніх коливань намагніченості варто очікувати при відносно більш високих температурах спонтанних переходів; визначена загальна методика експерименту при умові сумісності одержуваних даних з уже наявними.

В третьому розділі описані устаткування і методика проведення експериментів з високочастотних магніторезонансних досліджень. Виміри проведені на НВЧ спектрометрі прямого посилення, у якому реєструвалися відбиті сигнали поглинання від зразків, розташовуваних у центрі поршня, що замикає хвилевід. Для створення на зразку однорідного високочастотного поля застосовувалися хвилеводи, що допускають поширення переважно хвилі типу Н10. Основний метод дослідження - запис сигналів поглинання надвисокочастотної енергії зразком при скануванні температури в околиці спін-переорієнтаційних переходів і стабілізації декількох послідовно фіксованих значень магнітного поля, що ініціюють перехід. Виміри провадилися в діапазоні частот від 11 до 74 ГГц і магнітних полів - від 0 до 13 кЕ на монокристалічних зразках ErFeO3, SmFeO3 і Fe3BO6. Найбільший розмір зразків ErFeO3 і SmFeO3 не перевищував 0,9 мм, а Fe3BO6 - 2,5 мм. Попередня орієнтація напрямків кристалографічних осей зразків провадилася за допомогою рентгенівського дифрактометра. Точна орієнтація поля по осях кристала здійснювалася поворотом магніту з точністю до 20” у площині ac зразка, що вже був зорієнтований щодо поршня і, отже, відносно НВЧ поля. Орієнтація поля провадилася шляхом спробних записів і фіксувалася по максимальній розбіжності двох резонансних ліній, розташованих з обох сторін від точки переходу.

Для підвищення чутливості вимірювальної установки відпрацьовано техніку вимірів з модуляцією магнітного поля при протяганні температури, у тому числі при спонтанних переходах, коли постійне зовнішнє поле Н = 0. Така техніка дозволила більш ніж на порядок підвищити чутливість вимірів на Fe3BO6 і SmFeO3 у порівнянні з досягнутою раніше.

Вибір методики вимірів визначався необхідністю одержання експериментальних результатів у вигляді, придатному для зіставлення з існуючою на той момент теорією і з виконаними для її перевірки дослідами на YFeO3 і DyFeO3 [6,7]. Це вимагало збігу: по-перше, - характеру і виду фазового переходу, по-друге, - орієнтації магнітного поля, що ініціює перехід. Крім того, для з'ясування меж застосовності теорії [6,7] необхідно було провести експерименти на ряді ортоферитів з істотно різними співвідношеннями власних частот підсистем заліза ns і рідкісної землі nr, тобто врахувати природу м'якої магніторезонансної моди.

В четвертому розділі викладаються результати експериментальних досліджень магнітного резонансу в ErFeO3, SmFeO3 і Fe3BO6, провадиться аналіз ролі окремих коливальних підсистем і їхніх взаємодій.

Для з'ясування можливості поширення висновків по YbFeO3 і TmFeO3 на інші РЗОФ ми були провели експерименти на ErFeO3. YbFeO3 і TmFeO3 характеризуються співвідношенням частот залізної ns і РЗ-мод nr відповідно: nr << ns і ns << nr, тоді як для більшості РЗОФ, до яких відноситься і ErFeO3, типовим є співвідношення nr ” ns. B ErFeO3 TN1 = 636 К, для переходу Г2-Г4 параметр tSR = 0,15 (у ErFeO3 крім TN1 заліза, є ще і температура упорядкування ербію TN2). Виміряна при спонтанному переході Г2-Г24 у точці T = T2 енергетична щілина n2 = 26,2 + 0,2 ГГц. Вона була також виміряна при значеннях поля H||a, що дорівнювали 1, 5, і 10 кЕ. У межах точності вимірів (2 ГГц) зростання щілини в полі не виявлено!

У такий спосіб у ErFeO3, як у YbFeO3 і TmFeO3, тобто в області температур до 100К подовжня сприйнятливість і, відповідно, внесок подовжніх коливань у величину щілини невідчутно малі. Тобто як при спонтанному, так і при ініційованому полем ОФП щілина формується в основному прецесійними механізмами. Ґрунтуючись на експериментах з YbFeO3, TmFeO3 і ErFeO3, робимо висновок про те, що незалежність щілини від поля (температури) є, швидше за все, загальною властивістю всіх РЗОФ, у яких переорієнтація відбувається при малих значеннях tSR і в малих полях. Цей факт не залежить від співвідношення характерних резонансних частот nr, ns і, отже, від ступеня динамічної взаємодії коливальних підсистем заліза і рідкої землі.

Найбільш придатним для виявлення внеску подовжніх коливань намагніченості в динаміку ОФП у малих полях була знайдена сполука Fe3BO6, що є ізоморфною РЗ ортоферитам , у неї tSR ” 0,8. Основні результати вимірів (див. мал.2) отримані в режимі зміни температури при фіксованих значеннях поля. Записувалася похідна сигналу поглинання по температурі. По сукупності цих записів відтворювались температурні залежності магніторезонансних частот при кожнім заданому значенні H. Кожній точці на мал.2 відповідає задане поле переходу, а температура переходу визначається за положенням піків поглинання резонансних ліній. Приведено приклади температурних залежностей частоти м'якої моди в магнітному полі різної величини й орієнтації. Мінімальна частота кожної такої залежності є енергетична щілина nIR у точці завершення індукованої полем переорієнтації при H||a чи H||c. По сукупності результатів таких вимірів відтворено температурні і польові залежності щілини nIR, що також наведені на мал.2.

Виділимо найбільш значимі результати даних вимірів:

1. Уперше виявлено, що температурна і польова залежності енергетичних щілин на лінії фазових переходів підходять до точці T = TSR, HIR = 0 з відмінними від нуля похідними ¶nIR/¶T і ¶nIR/¶H.

2. При будь-яких температурах ¶nIR/¶H > 0, тоді як ¶nIR/¶T < 0 в області T < TSR і ¶nIR/¶T > 0 в області T > TSR.

3. Екстраполяція величин енергетичних щілин до точки спонтанного переходу Г2-Г4 (H = 0, T = TSR) з боку низьких температур дає значення щілини nSR = 11,8±1,5 ГГц, а з боку високих - 17,5±0,5 ГГц.

Перший (шуканий) з виділених результатів, на нашу думку, є зв'язаним з великим значенням tSR, що обумовлює значну величину відношення подовжньої і поперечний сприйнятливості (для Fe3BO6, оцінене за методикою роботи [8] відношення c||/c^ ” 0,7 у точці T = TSR). Звідси результат - ¶nIR/¶H > 0 при H ® 0, що є зовнішньою ознакою того, що в Fe3BO6 навіть стартова щілина значною мірою формується за рахунок подовжніх коливань намагніченості.

Температурні залежності частот м'якої моди й енергетичних щілин у точках завершення переорієнтації в Fe3BO6: характерні залежності частот м'якої моди в поле H||c величиною 8 кЕ, 10 кЕ (^) і в поле H||a величиною 4 кЕ (D), 8 кЕ (¦); залежності щілини в точці завершення спінової переорієнтації в полях H||c (?) і H||a (0). Кожна точка на температурних залежностях щілин відповідає наступним значенням поля H, кЕ: a - 1,25, б - 2,5, у - 4, м - 6, д - 8, е-10, ж - 12, з - 12,5. Вертикальними штриховими лініями з'єднані точки, що відповідають пікам поглинання від схилів резонансних ліній.

Результат №2 виявляє конкуренцію внесків у величину енергетичної щілини з боку поля і температури. Виявляється, що позитивний і більший по абсолютній величині внесок у її результуючу величину дає поле.

Стрибок частот (результат №3) у точці спонтанного переходу для свого пояснення потребує залучення представлення про механізми формування енергетичних щілин у точках орієнтаційних переходів, що базуються на максимальному врахуванні динамічної взаємодії спінової підсистеми з іншими коливальними підсистемами магнетика. Розрахунок спектра коливань спінової підсистеми виконувався за методикою, що розвита у роботі [3]. Наведемо результати розрахунків для випадку Н і 0. Активація s-моди у фазах Г2 і Г4 відповідно має вид:

, (1)

. (2)

Тут g - гіромагнітне відношення,

HE, Hme5, HD1,2, Hdip1,2, - поля однорідного обміну, магнітострикції, Дзялошинского і дипольне поле відповідно ,

K1,2 - ефективні константи анізотропії другого і четвертого порядку,

М0 - намагніченість насичення підрешіток;

поля HD1,2 і Hdip1,2 виражаються формулами: HD1,2=(3d3,1 - 2d1,3)/M0,

Hdip1,2=16p (d1,3/HE)/М0, де d1,3 - постійні антисиметричного обміну (постійні Дзялошинского).

Точка спонтанного ОФП першого роду (ОФП-1) Г2 - Г4 визначається умовою K1+K2=0 (ОФП першого роду можливий лише при K2 <0). У нульовому магнітному полі стрибок визначається дипольним внеском і має величину:

. (3)

Оцінимо чисельну величину стрибка в точці спонтанного фазового переходу, використовуючи відповідні значення постійних для Fe3BO6: HE”5Ч106 Е, Hdip ” 1 Е, g=2Ч107 Гц/Е. Тоді вираз (3) дає значення стрибка частот у точці спонтанного ОФП Dn”3 ГГц. Воно погоджується з експериментальною величиною Dn ” 5,7 ГГц .

Проведений розрахунок енергетичної щілини і стрибка частоти враховував тільки прецесійний рух намагніченості. При врахуванні її подовжніх коливань у вирази (1) і (2) адитивно увійде ще і щілина релаксаційного походження, що може давати істотний внесок у сумарну енергетичну щілину. При анізотропному характері цієї щілини, вона може давати внесок також і у величину стрибка частот при спонтанному ОФП-1. Нарівні з дипольним релаксаційній внесок в енергетичну щілину від взаємодії прецесійних і релаксаційних коливань може обумовлювати розбіжність значень щілин у точках ОФП для випадку H = 0.

Таблиця 1. Характеристики спінової динаміки ОФП у РЗОФ і Fe3BO6.

Примітки: а) Значком * відзначені очікувані (відповідно до графіка на мал.3) значення; б) Для ErFeO3 (2) варто зробити заміни : TSR, TN, Т2 на ТN2 ; n02 на n0N2.

Проаналізуємо всі експерименти в послідовності, що відповідає зростанню параметра tSR. Основні результати і зведення про РЗОФ і Fe3BO6 представлені у вигляді таблиці. По них видно, що в ортоферитах, що характеризуються відносно низькими температурами спонтанної переорієнтації Г24 - Г2 (tSR < 0,15), похідна ¶n02 / ¶T = 0 у полі Н < 10 кЕ. Це означає, що в даних ортоферитах енергетичні щілини в точках зазначеного спонтанного переходу формуються в основному прецесійними механізмами. При tSR < 0,15 внесок подовжніх коливань намагніченості у величину щілини в межах досягнутої точності вимірів не виявляється в експериментах.

Енергетична щілина в Fe3BO6 росте зі збільшенням поля. При Н ® 0 похідна ¶n02 / ¶H № 0 складає близько 0,7 ГГц / кЕ. Щілина росте також при підвищенні температури, ¶n02 / ¶T ” 0,5 ГГц/К при Т ® ТSR. Це означає що щілина спонтанного переходу, формується не тільки за рахунок прецесійних механізмів, але і за рахунок подовжніх коливань намагніченості внаслідок досить високого значення параметра tSR у Fe3BO6.

Характерною властивістю переходу, що зв'язаній з антиферомагнітним упорядкуванням ербію при Т = ТN2 ” 4 К є надзвичайно висока подовжня сприйнятливість. Виміри дають у цій точці (tSR ” 1) значення c||/c^ ” 3 і найбільші в таблиці значення ¶n02 / ¶H і ¶n02 / ¶T.

Серед РЗОФ придатним за параметром tSR переходу Г2 - Г4 для виявлення ефектів подовжніх коливань намагніченості можна вважати лише SmFeO3 (T1 = 478 К, T2 = 450 ДО, TN = 674 К, tSR ” 0,7). В міру удосконалювання техніки експерименту з'явилася можливість проведення на ньому досить точних магніторезонансних вимірів. Їхні результати стали переконливим підтвердженням висновків, що були ми зробили раніше. На мал.4, як приклад, представлено температурні залежності частот м'якої моди в околиці орієнтаційного переходу Г4 Ы Г24 при двох заданих значеннях зовнішнього поля - 4 і 6 кЕ. Такі ж залежності отримано і на ряді інших значень зовнішнього поля Н, кЕ: 0,1; 2; 8; 10; 12. По їхніх мінімумах побудували температурну залежність щілини, що її показано на цьому ж малюнку штриховою лінією. Її нахил ¶n0 /¶Т = - 0,47 ГГц / К.

При зниженні температури в інтервалі 410 ё 460 К щілина n0 зростає майже в два рази - на ~ 25 ГГц, що на порядок перевищує абсолютну погрішність її визначення. При Н ® 0 похідна ¶n0/¶H ” 1,52 ГГц/кЕ. При Т ® Т1 (Н ® 0) енергетична щілина, відповідає спонтанному переходу Г24 Ы Г4 і дорівнює (27,7±2,5) ГГц.

Варто звернути увагу, принаймні, на три особливості отриманих тут результатів. По-перше, як і передбачалося, енергетична щілина в спектрі спінових хвиль у SmFeO3 істотно залежить від температури і магнітного поля навіть у межі Н ® 0, тобто в околиці спонтанного переходу Г24 - Г4. Це єдиний із РЗОФ, у якому виявлено подібний ефект. Інша особливість отриманих тут результатів полягає в тому, що енергетична щілина зростає при зниженні температури. Виявлене зростання щілини в умовах різноспрямованого впливу зовнішніх параметрів на цей ефект є результатом конкуруючих внесків у її результуючу величину з боку Н і Т при Н||с. У даному випадку позитивний і більший за абсолютною величиною внесок у n0 дає поле. Воно й обумовлює в цілому зростання результуючої щілини, що спостерігається на досліді також як і в аналогічному випадку в Fe3BO6. Відзначимо, що несумірність температурного і польового внесків у таку динамічну характеристику, як щілина, фактично задається статичними параметрами магнетика, втіленими в його Н-Т фазовій діаграмі. І, нарешті, третя особливість полягає в тому, що зростання щілини n0 у полі починається з досить великого її “стартового” значення при Н = 0. Це означає, що енергетична щілина поряд з відзначеними термодинамічними формується також і спін-хвильовими механізмами. Отримані результати можуть бути адекватно описано за допомогою теоретичної моделі, що одночасно враховує взаємодію різних коливальних підсистем магнетика і внески в динаміку за рахунок, як прецесії, так і подовжніх коливань намагніченості [4].

У висновку наведено основні результати роботи і висновки.

ВИСНОВКИ

Висновки зробимо на основі порівняльного аналізу представлених тут дослідних даних із усією сукупністю попередніх досліджень низькоенергетичної динаміки орієнтаційних переходів у рідкісноземельних ортоферитах.

1. Динаміка орієнтаційних переходів у реальних експериментальних умовах формується під дією і прецесії, і подовжніх коливань намагніченості. Співвідношення спін-хвильового і термодинамічного внесків у величину енергетичних щілин залежить від властивостей (головним чином - статичних) конкретної сполуки.

2. Параметром, що характеризує співвідношення зазначених внесків поблизу точок спонтанних переходів (тобто - у малому полі), може служити відношення температури спонтанного переходу TSR до температури упорядкування TN відповідної спінової підсистеми для кожного конкретного магнетика.

3.Виявлено, що при величині цього відношення tSR < 0,15 подовжні коливання не дають відчутного внеску в динаміку, що спостерігається в досліді. У той же час, при tSR > 0,7 внесок подовжніх коливань намагніченості виявляється навіть у нульовому полі. При цьому енергетична щілина в точці переходу може бути результатом адитивних і порівняних внесків з боку спін-хвильових і термодинамічних механізмів.

4. При наявності в магнетику двох спінових підсистем природа м'якої моди в точці переходу ніяк не виявляється в ефектах перерозподілу спін-хвильового і термодинамічного внесків у величину енергетичної щілини.

5. Стартова щілина при достатній величині tSR (тобто - коли ефекти прояву подовжніх коливань уже не маскуються іншими механізмами формування щілини) завжди зростає зі збільшенням поля, але відповідна температура переходу при цьому може, як підвищуватися, так і знижуватися.

6. Виявлена кореляція різних динамічних характеристик вказує на необхідність обліку взаємодії всіх коливальних підсистем магнетика також і при термодинамічному описі спінової динаміки орієнтаційних переходів. Особливо в області температур, де строго не працюють ні спін-хвильове, ні термодинамічне наближення.

7. Отримані результати показують актуальну необхідність створення нової, більш повної й універсальної теорії динамічних властивостей орієнтаційних переходів, розрахованої на будь-які значення температури і поля. Тоді існуючі спін-хвильові і термодинамічні моделі могли б бути її крайніми межами - відповідно при T ® 0 у малих полях і при T ® TN чи великих полях.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. Даньшин Н.К., Крамарчук Г.Г., Непочатых Ю.И. Энергетическая щель при индуцированной переориентации в ErFeO3. // ЖЭТФ.- 1994.- Т.105, вып.3. - С. 660-664.

2. Даньшин Н.К., Непочатых Ю.И. Шкарь В.Ф. Роль прецессии и продольных колебаний намагниченности в динамике спиновой переориентации в Fe3BO6. // ЖЭТФ.- 1996. - Т. 109, вып.2. - С.639-648.

3. Даньшин Н.К., Непочатых Ю.И. Обнаружение анизотропии энергетической щели в Fe3BO6. ФТТ.- 1996. - Т.38, №8. - С. 2513-2515.

4. Даньшин Н.К., Непочатых Ю.И. Вклад продольных колебаний намагниченности в спиновою динамику спонтанной переориентации. // ФНТ.- 1998.- Т.24, №4.- С. 353-359.

5. Обнаружение дипольного вклада в мягкую магниторезонансную моду в Fe3BO6 / Бучельников В.Д., Даньшин Н.К., Непочатых Ю.И., Шавров В.Г. // Письма в ЖЭТФ.- 1999.- Т.70, вып.5.- С. 356-359.

6. Обнаружение вклада продольной восприимчивости в частоту мягкой магниторезонансной моды в SmFeO3 / Бучельников В.Д., Даньшин Н.К., Непочатых Ю.И., Шавров В.Г. // ЖЭТФ. - 2001. - Т.119, вып.4. - С.728-737.

7. Даньшин Н.К., Непочатых Ю.И. Цымбал Л.Т. Роль продольных колебаний намагниченности в динамике ориентационных переходов. - Донецк. - 1996. - 54 с. (Препринт / НАН Украины. ДонФТИ - 96 - 1).

8. Даньшин Н.К., Крамарчук Г.Г., Непочатых Ю.И. Энергетические щели в точках ФП-2 в магнитном поле // Тезисы докладов 6-го научного семинара ФМЯ.- Донецк: ДФТИ АНУ.- 1993.- С. 42.

9. Даньшин Н.К., Непочатых Ю.И., Цымбал Л.Т. Параметр соотношения вкладов прецессии и продольных колебаний намагниченности в динамику спиновой переориентации. // Тр. 3-й Международной конференции “Физические явления в твердых телах”. - Харьков: ХГУ. - 1997. - С.107.

10. Даньшин Н.К., Непочатых Ю.И. Роль продольных колебаний намагниченности в динамике спонтанной спиновой переориентации. // Тезисы докладов Международной конференции “Фазовые переходы и критические явления в конденсированных средах”. - Махачкала: ИФ РАН и ДГУ. - 1998. - С. 53-54.

11. Даньшин Н.К., Непочатых Ю.И. Вклад продольных колебаний намагниченности в спектр мягкой магниторезонансной моды при спонтанной переориентации // Тезисы докладов Международной конференции “Магнитные материалы и их применение”. - Минск: ИФТТиП НАН Беларуси. - 1998. - С. 101-103.

12. Природа мягкой моды спиновых волн в окрестности ориентационных фазовых переходов / Бучельников В.Д., Даньшин Н.К., Непочатых Ю.И., Шавров В.Г. // Тезисы докладов Международной конференции “Фазовые переходы и нелинейные явления в конденсированных средах”. - Махачкала: ИФ РАН. - 2000. - С. 90-91.

ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА

1. Ориентационные переходы в редкоземельных магнетиках / Белов К.П., Звездин А.К., Кадомцева А.М., Левитин Р.З. - М.: Наука, 1977.- 318 с.

2. Туров Е. А., Шавров В. Г. Нарушенная симметрия и магнитоакустические эффекты в ферро- и антиферромагнетиках // УФН.- 1983.-т. 140, вып.3.-С. 429-462.

3. Магнитоакустика редкоземельных ортоферритов / Бучельников В.Д., Даньшин Н.К., Цымбал Л.Т., Шавров В.Г. // УФН. - 1996. - Т.166, №6. - С. 585-612.

4. Бучельников В.Д., Даньшин Н.К., Цымбал Л.Т., Шавров В.Г. Соотношение вкладов прецессионных и продольных колебаний в динамике магнетиков // УФН.- 1999. т.169, №10.-С. 1049-1084.

5. Бучельников В.Д., Бычков И.В., Шавров В.Г. Связанные колебания железной, редкоземельной и упругой подсистем в ортоферритах с крамерсовскими ионами // ЖЭТФ.- 1992. - Т.101, вып.6. - С.1869-1880.

6. Бучельников В.Д., Бычков И.В., Шавров В.Г. Влияние некрамерсовских редкоземельных ионов на спектр магнитоупругих волн в антиферромагнетиках // ФТТ. - 1991. - Т.ЗЗ, вып.11.- С.3439-3440.

7. Мягкая мода и энергетические щели в спектре спиновых волн при ориентационном фазовом переходе второго рода. АФМР в YFeO3 / Балбашов А.М., Березин А. Г., Гуфан Ю. М. и др. // ЖЭТФ.- 1987.- Т. 93, вып. 1. - С. 302-314.

8. Природа энергетической щели в спектре спиновых волн при спиновой переориентации в магнитном поле / Балбашов А. М., Гуфан Ю. М., Марчуков П.Ю., Рудашевский Е.Г. // ЖЭТФ.- 1988. - Т. 94, вып. 4. - С. 305-313.

Размещено на Allbest.ru