Панкрац Анатолий Иванович

МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС И ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ

В КРИСТАЛЛАХ ОКСОКУПРАТОВ И РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ

ФЕРРОБОРАТОВ

Специальность 01.04.11 – физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Красноярск – 2008

Работа выполнена в Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Смирнов Александр Иванович

(Институт физических проблем им. П.Л.Капицы РАН, г. Москва)

доктор физико-математических наук, профессор Головенчиц Евгений Исаакович

(Физико-технический Институт им. А.Ф.Иоффе

РАН, г. Санкт-Петербург)

доктор физико-математических наук, профессор Зиненко Виктор Иванович

(Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН,

г. Красноярск)

Ведущая организация: Московский Государственный университет им. М.В.Ломоносова (г. Москва)

Защита состоится «___» _________2008 г. в «____» часов в конференц-зале

главного корпуса ИФ СО РАН на заседании диссертационного совета совете

Д 003.055.02 по защите диссертаций в Институте физики им. Л.В.

Киренского СО РАН по адресу: 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50,

стр. 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФ СО РАН

Автореферат разослан « »____________2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук Втюрин А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В современной физике магнитных явлений в последние десятилетия растет интерес к исследованию новых магнитных состояний вещества, по своим свойствам отличающихся от классических ферро-, ферри- и антиферромагнетиков. Такие магнитные структуры могут возникать по разным причинам. Среди этих состояний можно отметить магнитные структуры, образующиеся на треугольных решетках и других специфических типах решеток. В таких структурах конкуренция антиферромагнитных обменных связей может проявляться в геометрической фрустрации обменного взаимодействия, т.е. такого пространственного расположения магнитных ионов, при котором одновременное антипараллельное упорядочение всех взаимодействующих спинов невозможно. Результатом такого эффекта может быть формирование неколлинеарной магнитной структуры, а в случае сильной фрустрации – даже отсутствие дальнего магнитного порядка.

Другие примеры неколлинеарных структур показывают различные типы модулированных магнитных структур, которые своим возникновением также чаще всего обязаны конкуренции обменных взаимодействий. Наиболее простым случаем модулированной структуры является простая спираль, в которой плоскость спирали перпендикулярна волновому вектору структуры. Встречаются геликоидальные структуры циклоидного типа с волновым вектором, лежащим в плоскости спирали, а также более сложные модулированные структуры типа волны спиновой плотности.

Кроме того, очень интересны магнитные структуры, возникающие в низкомерных магнитных системах с антиферромагнитным обменным взаимодействием. Из-за сильных квантовых флуктуаций либо опять-таки вследствие конкуренции обменных взаимодействий в цепочке между ближайшими ионами и со вторыми соседями такие системы демонстрируют широкий спектр необычных магнитных структур, включающих бесщелевые спин-жидкостные состояния, структуры с энергетической щелью между синглетным основным и возбужденным магнитными состояниями (например, ладерные и спин-Пайерлсовские структуры) и модулированные магнитные структуры.

Сложные магнитные структуры могут возникать и как результат взаимодействия разных магнитных подсистем одного кристалла. В качестве таких подсистем могут выступать, например, подсистемы редкоземельных ионов и ионов группы 3d-металлов либо это могут быть подсистемы ионов одного типа, которые находятся в неэквивалентных кристаллографических позициях и в силу этого обладающие разными магнитными структурами. Поскольку магнитные подсистемы вставлены одна в другую, в таких кристаллах, как правило, возникают сложные магнитные структуры с различной конфигурацией разветвленных обменных связей. В формировании таких структур конкуренция обменных взаимодействий часто играет важную роль. Наряду с этим конкуренция магнитоанизотропных взаимодействий разного знака, присущих разным магнитным подсистемам, также может играть ключевую роль в образовании сложных магнитных фазовых диаграмм с переходами между состояниями, которые происходят при изменении температуры или магнитного поля.

Одним из наиболее перспективных классов магнетиков для поиска и исследования сложных магнитных структур являются оксидные соединения меди или оксокупраты. Широкое разнообразие магнитных структур в оксокупратах в немалой степени обусловлено структурными особенностями иона Cu2+. Многие другие магнитоактивные ионы, как правило, предпочитают определенный тип кристаллографических позиций. Например, ионы Fe3+ и Mn2+ занимают преимущественно октаэдрические позиции, иногда – тетраэдрические. Ион Cu2+, кроме октаэдрического и тетраэдрического кислородного окружения, может иметь также квадратное и пирамидальное окружения. Такая «неприхотливость» иона Cu2+ объясняется особенностями его электронной структуры, позволяющей ему адаптироваться к разным типам кислородного окружения. А широкий набор типов кристаллографических позиций иона меди приводит к большому разнообразию возможных магнитных структур с различной конфигурацией обменных связей. Этому способствует также то обстоятельство, что в оксокупратах косвенное обменное взаимодействие может реализоваться не только через традиционные для других магнитоактивных ионов цепочки Me – O – Me, но и через более протяженные и разветвленные цепочки типа Cu – O – A – O – Cu, где А – катион другого сорта (например, А=Bi3+, B3+ и др.). Кроме того, способность иона меди адаптироваться к различному кислородному окружению является важной предпосылкой к образованию в рамках одного кристалла нескольких магнитных подсистем с различными типами магнитного порядка, которые связаны между собой обменными взаимодействиями. Важно также, что многие из оксокупратов обладают низкомерными магнитными свойствами.

Еще одним перспективным классом объектов исследования являются редкоземельные ферробораты с общей формулой RFe3(BO3)4 с кристаллической структурой, изоморфной структуре минерала хантита. Магнитные свойства кристаллов этой группы определяются взаимодействием магнитных подсистем ионов Fe3+ и редкоземельного иона R3+. А конкуренция вкладов этих двух подсистем в магнитную анизотропию предполагает существование фазовых переходов между состояниями, происходящих как при изменении температуры, так и в магнитном поле. Исследования магнитных структур в кристаллах этой группы только начаты, но уже показывают широкий диапазон возможных состояний: в зависимости от типа редкоземельного иона эти соединения могут быть легкоосными или легкоплоскостными антиферромагнетиками, спиральными магнетиками либо образуют угловые магнитные структуры.

В некоторых представителях этого класса (с R=Gd и Nd) обнаружен магнитоэлектрический эффект, следовательно, эти кристаллы принадлежат к группе мультиферроиков, исследования которых является одним из важных направлений в современной физике твердого тела. Первые исследования этого эффекта в кристаллах группы хантита показали, что электрическая поляризация возникает только при определенной магнитной структуре кристалла. По этой причине появление электрической поляризации в некоторых кристаллах ферробората связано с ориентационными фазовыми переходами. Поэтому изучение магнитных фазовых диаграмм и природы фазовых переходов в этих кристаллах, а также способы управления магнитным состоянием с помощью легирования кристаллов приобретают особую важность.

Основным экспериментальным методом исследования в работе является метод магнитного резонанса, который является одним из наиболее информативных и чувствительных косвенных методов изучения магнитных структур. Сильная чувствительность магнитного резонанса к магнитному состоянию вещества позволяет использовать его, как очень чувствительный метод изучения магнитных фазовых переходов и фазовых диаграмм. В то же время в любом исследовании важен комплексный подход, сочетающий различные экспериментальные методы. Поэтому при выполнении этой работы по мере необходимости автором привлекались и другие экспериментальные методы: температурные и полевые зависимости намагниченности, магнитострикционные измерения, в том числе – в сильных магнитных полях.

Целью работы является изучение магнитного резонанса и фазовых переходов в кристаллах, магнитная структура которых образована в результате конкуренции обменных или магнитоанизотропных взаимодействий. Можно выделить две главные задачи, которые решались при проведении исследований:

исследовать роль конкурирующих взаимодействий в формировании магнитной структуры кристалла и особенности магнитного резонанса в таких структурах;