Введение к работе
Актуальность проблемы. История развития физики магнетизма насчитывает несколько сотен лет, однако бурное развитие этой отрасли физики началось в первой половине 19-го века в связи с открытием действия электрического тока на магнитную стрелку.
В начале нынешнего века П. Вейсом было сформулирована первая современная теория магнетизма. Она основывалась на феноменологическом подходе и использовала представление о молекулярном поле, которое в той или иной модификации применяется до настоящего времени. Эта теория положила начало изучению магнетизма как кооперативного явления. В рамках этого подхода было получено множество плодотворных результатов. Среди них - введение понятия обменного взаимодействия, идея антиферромагнетизма, теория магнитных фазовых переходов, зонная теория магнетизма и др. Появление несколько десятилетий назад новых магнитных объектов - редкоземельных металлов (РЗМ), вызвало волну новых теоретических и экспериментальных исследований. Кооперативный подход позволил описать основные черты магнитного поведения и этого класса магнетиков.
С другой стороны, с появлением редкоземельных магнетиков стала ощущаться потребность иного, по-видимому, микроскопического подхода к изучению магнитных явлений. Связано лто со специфическим характером редкоземельного магнетизма, носителем которого являются сильно локализованные и заэкранированные моменты 4/-оболочкн. Эта потребность нашла свое удовлетворение в локальных методах сверхтонких взаимодействий (СТВ), появившихся в 40-е и 50-е годы. Среди них - ядерный магнитный резонанс (ЯМР), метод возмущенных угловых корреляций (ВУК), методика ориентированных ядер (ОЯ), ядерный гамма-резонанс (ЯГР), или иначе эффект Мессбауэра и, наконец, метод спинового вращения мюонов (fiSR).
Параметры сверхтонкого взаимодействия чрезвычайно чувствительны к детальной структуре волновых функций ионов в твердом теле, что позволяет получать сведения о магнитных свойствах вещества в областях пространства порядка атомного размера. Такая уникальная информация не может быть получена никакими другими методами. Применение методов СТВ в физике магнетизма редкоземельных магнетиков дало много новых и интересных результатов. Микроскопический подход к явлениям магнетизма проявляется не только в области эксперимента,
но также просматривается и в развитии современной теории магнитных явлений.
Вместе с тем, совместное развитие физики магнетизма и физики сверхтонких взаимодействий испытывает определенные трудности методологического характера. Связаны они с отсутствием последовательной микроскопической теории сверхтонких взаимодействий, на основе которой можно было бы извлекать достоверную информацию из экспериментально измеряемых параметров СТВ. Отсутствие такой теории связано, в свою очередь, с недостаточно полным пониманием того, как формируются магнитные и электрические сверхтонкие взаимодействия в веществе. Поэтому информация о магнетизме редкоземельных магнетиков, получаемая на основе методов СТВ, носит, в основном, эмпирический характер. Особенно это касается распространенного метода примесного немагнитного зонда в магнитной матрице, например, метода ЯГР - спектроскопии на примеси n9Sn. Недостаточно ясно, например, какая часть информации относится к свойствам окружения примесного атома, и какая часть - к изучаемой магнитной матрице, или иначе, каков характер и степень возмущения, вносимого примесным зондом в матрицу? Не определены условия того, когда немагнитный зонд в РЗМ можно считать "хорошим" и когда "плохим". Малоизученная проблема - размер области формирования сверхтонкого магнитного доля. Таким образом, можно считать, что границы области применимости мессбауэровскои спектроскопии в физике магнетизма РЗМ очерчены недостаточно четко. Большинство отмеченных затруднений носит принципиальный характер и связано, в основном, с тем, что поведение немагнитной примеси в редкоземельной магнитной матрице изучено недостаточно глубоко.
Таким образом, на пути широкого использования физики сверхтонких взаимодействий в области магнетизма РЗМ существует актуальная методологическая проблема, которую следует считать недостаточно разработанной как в экспериментальном, так и в теоретическом отношении.
Цель работы. Целью настоящей работы является, с одной стороны, установление методологии использования ЯГР-спектроскопии на немагнитной примеси в исследованиях по магнетизму РЗМ, и с другой стороны - исследования собственного магнетизма РЗМ на основе корректно поставленного метода ЯГР. Указанная цель достигается в результате прецизионного измерения магнитного возмущения, вносимого немагнитным атомом-зондом в РЗМ-матрицу.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Обнаружен новый класс магнитных образований на основе при
месных немагнитных ионов в редкоземельных металлах, вокруг которых
возникают области сильного магнитного возмущения. Эти области пред
ставляют собой специфические магнитные кластеры, которым было дано
название - примесные магнитные центры в РЗМ ( сокращенно ПМЦ).
-
Развито новое направление физических исследований - экспериментальное и теоретическое изучение обнаруженного явления. Введен ряд новых физических понятий, характеризующих влияние иона примеси на свое магнитное окружение.
-
Найдены условия достаточно корректного применения метода ЯГР на немагнитной примеси к проблемам магнетизма РЗМ.
-
Решен ряд задач физики магнетизма РЗМ, касающихся детального устройства магнитных структур и характера обменного взаимодействия.
-
Произведена оценка размера области формирования сверхтонкого магнитного поля на немагнитной примеси в РЗМ.
-
Разработан комплекс криогенной аппаратуры, который обеспечивает прецизионное измерение параметров сверхтонких взаимодействий в широком диапазоне магнитных полей и температур.
Практическая значимость работы.
-
Обнаруженные в настоящей работе специфические области магнитного возмущения вокруг иона примеси (ПМЦ) могут иметь распространение в различных редкоземельных сплавах, используемых для технического намагничивания, магнитной записи и з постоянных магнитах. ПМЦ могут иметь значительное влияние на магнитные свойства этих объектов. Пути учета этого влияния и разработаны в данной диссертации.
-
Важнейшее свойство ПМЦ - магнитный гистерезис магнитной структуры- может найти практическое применение в принципиально новых, недоменных элементах магнитной памяти (магнитная нанотехноло-гия).
-
Предложенный в настоящей работе метод построения точных моделей магнитных структур РЗМ существенно дополняет возможности дифракционных методик (нейтронографии и магнитного рассеяния синхротронного излучения).
4. Принципы разработки криогенной аппаратуры, применяемой в
ядерно- спектроскопических исследованиях сверхтонких взаимодействий,
были использованы для создания соответствующего комплекса приборов и установок, эксплуатируемых в условиях НЙЇЇЯФ МГУ. Эти же принципы могут быть использованы для производства такого рода аппаратуры в более широких масштабах. На защиту выносятся:
-
Результаты ЯГР - исследований сверхтонких взаимодействий на примеси n9Sn в группе монокристаллов тяжелых РЗМ. Изучались зависимости от температуры и внешнего магнитного поля.
-
Концепция примесных магнитных центров в редкоземельных металлах, на основе которой проведен анализ полученных результатов измерений.
-
Теоретическое описание ПМЦ, проведенное на феноменологическом уровне на основе немногих исходных предположений.
-
Решение ряда задач физики магнетизма РЗМ. В числе их - измерение величины двухионной анизотропии обменного взаимодействия, доказательство регулярной неоднородности устройства винтовых магнитных структур, исследование эффекта магнитного гистерезиса структуры.
-
Оценка размера области формирования сверхтонкого поля на немагнитной примеси в РЗМ пределами ближайшей окрестности иона примеси.
-
Результаты разработки принципов изготовления криогенной ЯГР - аппаратуры.
7. Разработка технологии изготовления ориентированных монокри
сталлических ЯГР - поглотителей.
Апробация работы. Работа докладывалась на Всесоюзных Совещаниях по физике низких температур (Минск 1976, Москва 1979, Казань 1992), Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (Донецк 1977, Харьков 1979, Пермь 1981, Тула 1983, Калинин 1988), Всесоюзных Совещаниях по ядерно-спектроскопическим исследованиям сверхтонких взаимодействий (Москва 1985, Грозный 1987, Алма-Ата 1989), Всесоюзном Менделеевском Съезде по общей и прикладной химии (Баку 1981), Всесоюзном Симпозиуме "Неоднородные электронные состоя-ния"(Новосибирск 1984), 4-ой Всесоюзной конференции по физике и химии редкоземельных полупроводников (Новосибирск 1987), 37-м Совещании "Ядерная спектроскопия и структура атомного ядра" (Юрмала 1987), 22-ой школе-симпозиуме физиков-теоретиков - Коуровка 22 (Ми-асс 1988), 5-ом Всесоюзном семинаре "Магнетизм редкоземельных спла-
bob" (Грозный 1988), Уральской научно-технической конференции "Применение мессбауэровской спектроскопии в материаловедении'' (Ижевск 1989), Всесоюзной конференции "Прикладная мессбауэровская спектроскопия" (Казань 1990), 13-ом Всесоюзном Совещании "Получение, струк-тура,физические свойства и применение высокочистых и монокристаллических тугоплавких и редких металлов" (Суздаль 1990).
Работа докладывалась на международных конференциях: 20-м Конгрессе АМПЕРЕ (Таллин 1978), Международной Конференции по применению эффекта Мессбаузра (Алма-Ата 1983), Международных Совещаниях по ядерно- спектроскопическим исследованиям сверхтонких взаимодействий (Ужгород 1991, Дубна 1993), б-ой Международной Конференции по рентгеновской эмиссии и ее аналитическим применениям (Токио 1992)1
Результаты работы неоднократно докладывались на научных семинарах МГУ и на Ломоносовских чтениях.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 66 работ, из них 23 цитируется в списке литературы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов и списка литературы из 176 наименований. Общий объем работы составляет 344 страницы, в том числе 127 рисунков и 38 таблиц.
