Исследование критических явлений вблизи точки Кюри в инварных железо-никелевых сплавах поляризованными нейтронами Григорьев, Сергей Валентинович

Введение к работе

Актуальность темы обусловлена постоянным интересом к проблемам физики фазовых переходов, связанных с универсальными для многих физических систем явлениями, сопровождающими спонтанное изменение симметрии системы. Одной из таких общих черт в системах, испытывающих переход, является развитие сильных флуктуации параметра порядка, характеризующего новый элемент симметрии. Впервые сформулированная Ландау проблема фазовых переходов второго рода считается практически решенной для однородных систем после того, как для описания статических величин Паташинским и Покровским и одновременно Кадановым была построена флуктуационная теория фазовых переходов - теория статического подобия (скейлинг). Однако, в последнее время стало ясно, что абсолютное большинство реальных систем не являются однородными из-за наличия дефектов и примесей и что наличие беспорядка сильно влияет на характеристики фазового перехода. В частности, появление двух масштабных корреляционных длин выше Т_с связывается со свойствами разупорядоченных систем. Суть проблемы "двойного масштаба" состоит в том, что в ряде систем наблюдается существование второго, более крупного масштаба корреляций выше Т_с наряду с обычным характерным масштабом критических флуктуации. Это не согласуется с представлениями теории статического подобия об единственном масштабе, определяющем свойства системы выше Т_с при фазовом переходе второго рода. Другая особенность фазового перехода в системах с беспорядком проявляется в наличии гистерезисных явлений вблизи Т_с, которые обусловлены возникновением многочисленных минимумов энергии, представляющих в фазовом пространстве иерархию долин. разделенных конечными барьерами. В такой ситуации в системе должно существовать экспоненциально большое характерное время релаксации, необходимое для преодоления барьеров, разделяющих долины, что и приводит к различным результатам в зависимости от магнитной предыстории при проведении измерений.

— 4—

В данной работе в качестве объекта исследования были выбраны железо - никелевые инварные сплавы. Следует отметить, что сплавы Fe и Ni инварного состава являются сильно разупо-рядоченными системами. Аномальное поведение коэффициента линейного теплового расширения при температурах ниже точки Кюри магнитного фазового перехода Т_с показывает, что магнетизм и объемные ха2эактеристики инварных сплавов связаны. Сильное взаимовлияние параметра порядка и упругих деформаций в системе, видимо, приводит к флуктуациям температуры Кюри, что, в свою очередь, и определяет сложную картину фазового перехода. Использование метода малоуглового рассеяния нейтронов (МУРН) с одновременным анализом поляризации прошедшего пучка оказывается очень эффективным при исследовании магнитных фазовых переходов. С помощью данного метода можно исследовать магнитные корреляции широкого спектра размеров, определить их характерный вид и радиус. В частности, как впервые было показано в данной диссертационной работе, метод является перспективным для исследования проблемы двух масштабов магнитных корреляций выше Т_с в ферромагнетиках. Исследование температурных гистерезисных явлений и изучение влияния магнитного поля на систему вблизи температуры Кюри было обеспечено с помощью метода трехмерного анализа поляризации нейтронов благодаря высокой точности поляризационных измерений и возможности проводить исследования практически в нулевом поле.

Целью диссертационной работы является изучение особенностей фазового магнитного перехода в разупорядоченных инварных железо - никелевых сплавах методами рассеяния поляризованных нейтронов. Решение поставленной задачи потребовало:

развития методики взаимодополняющего анализа интенсивности МУРН и деполяризации нейтронов, позволяющей исследовать магнитные корреляции широкого спектра размеров при ферромагнитных фазовых переходах;

тщательного исследования импульсной зависимости интсн-

сивности МУРН и деполяризации прошедшего пучка нейтронов для серии образцов железо - никелевого сплава инварного диапазона концентраций как функции температуры вблизи Т_с;

определения формы спиновых корреляторов, присутствующих в системе выше Т_с в инварных железо - никелевых сплавах и оценки корреляционных радиусов каждого из корреляторов, а также получения их температурной зависимости;

исследования интегральных характеристик и свойств магнитной системы железо - никелевых инварных сплавов вблизи Т_с методом трехмерного анализа поляризации нейтронов;

анализа моделей магнитной структуры сплава в окрестности Т_с, адекватно описывающих полученные экспериментальные результаты.

Научная новизна результатов работы. В диссертационной работе впервые доказана возможность использования методов МУРН и деполяризации нейтронов для исследования проблемы двух масштабов магнитных корреляций при магнитных фазовых переходах. Разработанная методика исследования магнитных фазовых переходов в системах с беспорядком может быть использована при изучении других сложных магнитных материалов. Впервые на примере FeNi инварных сплавов продемонстрировано сосуществование двух корреляционных длин выше Т_с в разупорядоченных магнетиках. Полученные температурные зависимости корреляционных длин позволили установить критические индексы, которые отличаются по величине вдвое друг относительно друга. Установлено наличие гистерезисных явлений магнитных свойств системы в критическом диапазоне температур, что характеризует его как переход первого рода, близкого ко второму. Показано сильное влияние магнитного поля на величину гистерезиса. Экспериментально изучена анизотропия деполяризации нейтронов на магнитных неоднородностях в магнитном поле. Получена температурная зависимость намагниченности сплава вблизи Т_с в различных магнитных полях. Данные

G—

интерпретированы в рамках модели, основанной на предположении о флуктуациях температ\'ры Кюри по сплаву возле некоторой средней температуры (Т_с) с относительным распределением АТ_С/{Т_С) ~ 1%. Получена функция распределения температуры Кюри р(Т_с) по сплаву. Развита методика работы с поляризованными нейтронами в условиях пространственного спинового резонанса в градиентном ведущем поле, позволяющая создавать мо-нохроматоры поляризованных нейтронов с плавно регулируемой шириной спектра прибора.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

методика обнаружения двух корреляционных радиусов выше Т_с при магнитных фазовых переходах на основе анализа данных малоуглового рассеяния нейтронов и деполяризации нейтронов;

факт сосуществования двух корреляционных длин выше Т_с в инварных железо - никелевых сплавах;

температурный гистерезис в критической области выше Т_с и сильная зависимость величины гистерезиса от приложенного магнитного поля в сплавах;

в результаты исследования фазового перехода методом трехмерного анализа поляризации нейтронов и интерпретация данных в рамках модели о флуктуациях температуры Кюри в сплаве;

в экспериментальное исследование анизотропии деполяризации по отношению к направлению скорости нейтронов для магнитных систем в поле;

методика работы с поляризованными нейтронами в условиях
пространственного спинового резонанса в градиентном веду
щем поле.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в более чем 20 статьях, препринтах и тезисах. Докладыва-

лись на семинарах Отдела исследования конденсированного состояния и Ученого совета по физике твердого тела ПИЯФ, а также на российских и международных конференциях:

1. ХШ-ое совещание по использованию нейтронов в физике твердого тела, Зеленогорск, Россия, 20-22 июня 1995.

2. International Workshop. Polarized Neutrons for Condensed Matter Investigations, Dubna, Russia, 18-20 June 1996.

3. 1st European Conference on Neutron. Scattering, Interlaken, Switzerland, 8-11 October 1996.

4. XV International Workshop on the Applications of Neutron Scattering to Solid State Physics, Zarechny, Russia, 17-23 March 1997.

5. Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов, Дубна, Россия, 25-29 мая 1997.

6. International Conference on Neutron Scattering, Toronto, Canada, 17-21 August 1997.

7. 5th Summer School on Neutron scattering, Zuoz, Switzerland, 9-15 August 1997.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы из 161 наименований, содержит 145 страниц машинописного текста, включая 48 рисунков и 4 таблицы.