Введение к работе
Актуальность темы. Согласно современной теории фазовых переходов и. критических явлений принято считать, что критические индексы (КИ). и соотношения между ' критическими амплитудами (КА) зависят от: размерности решетки d, числа степеней свободы параметра порядка п, радиуса упорядочивающего взаимодействия и симметрии гамильтониана системы. В связи с этим в трехмерных магнитных кристаллах различают три класса универсальности статического критического поведения: гейзенберговский (п = 3), ХУ Мп = 2) и изинговский (п = 1). Однако в силу разных причин в реальных кристаллах наблюдать критическое поведение, соответствующее тому или иному классу универсальности, трудно.
Из накопленного до постановки наших исследований значительного экспериментального материала, касающегося критического поведения магнитоупорядоченных кристаллов, за исключением одноосных дипольных магнетиков, не удалось осуществить полную проверку основных положений современной теории фазовых переходов и критических явлений, во-первых, из-за отсутствия не только модельных кристаллов, но и единого подхода к анализу и учету добавочных взаимодействий, в том числе и внешнего магнитного поля, во-вторых, из-за необходимости проведения комплекса исследований на одних и тех же образцах, который позволил бы определить весь набор КИ и КА, характеризующий статическое и динамическое критическое поведение магнитных систем.
На основе анализа существующих в настоящее время теоретических представлений может быть разработан единый подход к установлению классов универсальности статического и динамичес-ческого критического поведения реальных магнитоупорядоченных кристаллов, суть которого заключается в следующем. Добавочные взаимодействия, возмущающие симметрию исходного гамильтониана Гинзбурга - Ландау - Вильсона, учитываются добавлением члена Н = Е 2, S.S. , где g. - параметр, характеризующий природу и силу добавочного взаимодействия.
В том случае, когда g имеет релятивистскую природу вся критическая область может быть подразделена на обменную, анизотропную и дипольную. В обменной области g является несущественным параметром теории и его влияние сводитбя к учету наряду с ведущим и менее сингулярных членов ( коррекция к скейлингу ).
При приближении к критической температуре роль Добавочных взаимодействий возрастает, g становится существенным парамет-
ром теории и осуществляется кроссовер в анизотропную или дипольную область.
Если же в качестве g. выступают' упругие и магнитоупругие взаимодействия, то решетка становится сжимаемой. Это обстоятельство может привести или срыву фазового перехода (ФП) 2-го рода, или к изменению критической температуры. Эти вопросы достаточно подробно изучены, но как в теоретическом, так и в экспериментальном отношении остается не исследованным само критическое поведение статической и динамической магнитоупругости. Косвенным методом изучения динамической магнитоупругости может служить исследование скорости распространения и поглощения ультразвуковых (УЗ) волн.
Если в качестве g выступает внешнее однородное магнитное поле Н, то в зависимости от его ориентации и величины, степени анизотропии и наличия примесей в ферро- и ферримагнетиках конечных размеров могут реализоваться случаи, когда Н играет роль упорядочивающего, неупорядочивающего и случайного поля.
Вышеприведенный анализ влияния и учета различных добавочных взаимодействий, в том числе и внешнего магнитного поля, при установлении классов универсальности статического и динамического критического поведения показывает важность и актуальность исследования фазовых переходов и критических явлений в реальных ферро- и ферримагнетиках в упорядочивающих и неупорядочивающих полях.
Целью работы является экспериментальное исследование влияния различных взаимодействий, возмущающих исходное упорядочивающее взаимодействие, а также внешнего однородного магнитногс поля на статическое и динамическое критическое поведение реальных ферро- и . ферримагнетиков. В процессе выполнения работь решались следующие основные задачи:
-
Разработка комплекса экспериментальных установок ї методик для исследования магнитных, тепловых, магнитоупругих і акустических свойств, обладающих высокой точностью и чувствительностью, снабженных источниками магнитного поля и устройствами стабилизации и развертки температуры и магнитного поля.
-
Экспериментальное установление точных закономерностеі изменения магнитных. ( намагниченность, восприимчивость ), магнитоупругих ( магнитострикция, магнитоупругая восприимчивость), тепловых ( тепловое расширение ) и акустических ( скорость і поглощение УЗ-волн ) свойств вблизи критической температуры.
-
Изучение влияния одноосной и кубической анизотропии, дипольных сил, немагнитных примесей и доменной структуры на статическое и динамическое критическое поведение ферритов со структурой граната и магнегоплюмбита, ортоферритов и гадолиния.
-
Исследование индуцированных магнитным полем фазовых переходов в неоднородно намагниченных и анизотропных ферро- и ферримагнетиках и связанных с этим полем кроссоверных и мульти-критическях явлений.
-
Изучение механизмов связи звуковых волн с внутренними степенями свободы спиновой системы, а также влияния магнитного поля на критическую динамику металлических и диэлектрических ферро- и ферримагнетиков.
-
Проверка принципиальных основ теории ренормалиэационной группы и -разложения, статического и динамического скейлинга.
Научную новизну и значимость диссертации определяют основные положения, которые автор выносит на защиту:
-
Комплексное исследование на одних и тех же образцах ферро- и ферримагнетиков магнитных, тепловых, магнитоупругих и акустических свойств в широком интервале температур 78 - 900 К, магнитных полей 0 - 15 кЭ и частот ультразвуковых волн 1,67 -. 30 МГц.
-
Разработка единого подхода к учету добавочных взаимодействий, возмущающих исходное критическое поведение, и определение на этой основе КИ и КА, индексов и амплитуд коррекции к к скейлингу, построение скейлинговых уравнений состояния, а тем самым и установление классов универсальности статического критического поведения.
-
Описание критического поведения магнитоупругости на основе статической теории подобия: установление неравенств между КИ и законов подобия, соотношений между магнитными и магнитоуп-ругими КИ, получение скейлинговых уравнений состояния для маг-нитострикции и теплового расширения и их экспериментальная проверка на ферритах-гранатах, окиси европия и гадолинии.
-
Исследование флуктуационного, релаксационного и поляри-' зационного механизмов аномального распространения ультразвуковых волн в металлических и диэлектрических'. магнетиках, определение КИ скорости и поглощения, времени релаксации и динамического критического индекса, а также построение скейлинговых уравнений для флуктуационного и релаксационного вкладов.
5. Изучение влияния дипольных сил и магнитного поля' на
критическую динамику гадолиния: установление дипольного характера критической динамики и обнаружение магнитополевого аналога релаксационного механизма Ландау-Халатникова не только в магнитоупорядоченной, но и в парамагнитной фазе в поле, перпендикулярном направлению распространения УЗ - волн.
-
Обнаружение ФП 2-го рода, индуцированных магнитным полем в неоднородно намагниченных и анизотропных ферро- и ферри-магнетиках с одноосной и кубической анизотропией, построение соответствующих фазовых Н-Т диаграмм, установление на линии ФП кроссовера от її = 1 кп=3 (одноосные кристаллы) и от n = 3 к п =2 (четырехосные кристаллы) и их обоснование на основе теории ренормализационной группы и с-разложения.
-
Установление идентичности в ферримагнетиках с немагнитными примесями ФП в точке Кюри подрешеток с ослабленными связа-ми с ФП в точке Кюри чистого кристалла и обнаружение сложной Н-Т диаграммы с мультикритическими точками.
-
Обнаружение в ортоферритах в магнитном поле, параллельном оси легкого намагничивания, цепочки фазовых переходов ( лабиринтная доменная структура » регулярная доменная структура
-» "магнитная рябь" -» однородное состояние) с мультикритической точкой Лифшица и состояния со случайным полем.
Э. Разработка оригинальных методик и создание экспериментальных установок для исследования магнитных, тепловых, акустических и магнитоупругих свойств.
Практическая значимость работы. Полученные в диссертации результаты по фазовым переходам, критическим, кроссоверным и мультикритическим явлениям в ферро- и ферримагнетиках представ-вляют интерес для дальнейших исследований в теории магнетизма и физики фазовых переходов. Явления температурной независимости намагниченности, восприимчивости, магнитострикции в магнитных полях, меньших полей размагничивания и анизотропии имеют большое значение при создании высокостабильных по температуре индукционных датчиков, магнитострикционных преобразователей и магнитооптических модуляторов. Квадратичные полевые зависимости скорости и поглощения ультразвуковых волн в парамагнитной фазе гадолиния могут служить основой при создании линий задержки и аттенюаторов, управляемых магнитным полем.
Экспериментальные результаты данной работы используются для чтения спецкурсов: "Физика фазовых'переходов", "Физика магнитных явлений", "Магнитные материалы", "Введение в физическую
акустику", постановке лабораторных работ по спецпрактикуму "Физика магнитных явлений" на физическом факультете Дагестанского государственного университета. Часть результатов, полученных в данной работе, использована при написании монографии "Статические критические явления в магнитоупорядоченных кристаллах" ( авторы: Камилов И. К., Алиев X. К. ), а результаты по скорости распространения и поглощению УЗ-волн вблизи точки Кюри феррита-граната иттрия вошли в справочник "Акустические кристаллы" (под редакцией М. П. Шаскольской).- М.: Наука, 1982.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях, совещаниях, семинарах: Всесоюзной конференции по тешгофизическим свойствам веществ при высоких температурах ( Баку 1968 ), Всесоюзном совещании по физическим свойствам монокристаллов ферритов (Красноярск 19Б9), Республиканском семинаре по ферритам ( Киев 1970 ), Международной конференции по силам химической связи в полупроводниках- и полуметаллах ( Минск 1971 ), Всесоюзном совещании по физическим и физико-химическим свойствам ферритов ( Минск 1972 ), Международной конференции по магнетизму-ЖМ-73 ( Москва 1973 ), Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (Красноярск 1971, Баку 1975, Донецк 1977 и 1985, Харьков 1979, Пермь 1981, Тула 1983, Калинин 1988, Ташкент 1991 ), Всесоюзном совещании по физике и химии ферритов (Ивано-Франковск 1977), XX конгрессе Ампера ( Таллин 1988 ), Всесоюзной конференции по термодинамике ферритов ( Ивано-Франковск 1981), Всесоюзных семинарах "Магнитные фазовые переходы и критические явления" ( Махачкала 1984 и 1989 ), Всесоюзной школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Ташкент 1988), Республиканском семинаре "Физика магнитных явлений" (Старый Караван 1988), Всесоюзном семи-инаре "Магнетизм редкоземельных сплавов" (Грозный 1988), Всесоюзном совещании по термодинамике и технологии ферритов ( Ивано-Франковск 1988), 9 теплофизической конференции СНГ ( Махачкала 1992), научных семинарах КОФЕФ Московского государственного университета (Москва 1972, 1976, 1981, 1986 ), научном семинаре Института физических проблем РАК (Москва 1986, 1995), на научной сессии Научного совета РАН по проблеме "Магнетизм" ( Москва 1995), ежегодных научных конференциях Даггосуниверситета.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 70 работах, включая тезисы докладов, патент и монографию. Список основных публикаций (45) приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов и списка литературы из 391 наименования и изложена на 355 страницах, включая 120 рисунков и 20 таблиц.