Введение к работе
Актуальность темы. Физика сильнокоррелированных электронных систем (СКЭС) в настоящее время является одной из наиболее активно развивающихся областей физики твердого тела. Значительный интерес к исследованию СКЭС обусловлен несколькими обстоятельствами: Прежде всего это наличие необычных магнитных, термодинамических и кинетических свойств, понимание которых может позволить прояснить ряд фундаментальных проблем в физике твердого тела. А именно, вопросов о природе образования различных типов основного состояния, о фирмнрилііиіл :' тк\чяр.тении локальных магнитных моментов в конденсированных средах, маїніглісг! уплоя/ючекии, о соотношении «cioiii.Tirr-'vwirwo и локализованного характера электронов в твердом теле, о конкуренції;! различных механизмов взаимодействий электронов. Кроме того, благодаря наличию аномальных свойств, СКЭС имеют перспективы технического применения, некоторые системы уже практически используются (например, как катализаторы в химических реакциях, как геттеры электронов, различные датчики и т.д.).
Специфические физические свойства СКЭС на основе редкоземельных (РЗ) элементов обусловлены наличием не полностью заполненных 4f электронных оболочек и взаимодействием 4f электронов с электронами проводимости. Последнее взаимодействие (k-f электронные корреляции), может приводить к частичной делокализации 4f электронов, так называемой валентной нестабильности [1а].
Среди СКЭС принято выделять два класса систем: промежуточно-валентные (ГШ) соединения и Кондо-системы (КС). Границы между этими классами имеют условный характер. Более того, вопрос о том, одинакова или различна природа формирования валентно-нестабильного состояния в ПВ и КС является открытым. Большое значение по этой причине имеет исследование перехода нестабильно-валентной системы нз ПВ в Кондовский режим.
В СКЭС реализуются разные типы основного состояния: немагнитное, магнито-упорядочсішое. сверхпроводящее, узкощелевые полупроводники. В последнее время открыт еще один класс СКЭС - Кондо-изоляторы. В силу неясности природы образования такого разнообразия классов СКЭС закономерна постановка задачи о выяснении причин образования того или иного основного состояния в СКЭС.
Существующие представления связывают формирование свойств СКЭС с 4f электронами и их взаимодействиями с электронами проводимости (см, например [1а,2а,3а] и ссылки в них). В то же время, одно из основных взаимодействий її
электронов - взаимодействие с кристаллическим электрическим полем (КЭП) в рамках существующих модельных представлений о СКЭС практически не учитывается (в "нормальных" РЗ системах это взаимодействие является определяющим при низких температурах). Более того, в большинстве микроскопических моделей предполагается высокая кратность вырождения для 41" мультиплета, т.е. не принимается во внимание его расщепление в КЭП. Между тем, в ряде систем энергия взаимодействия 4f электронов с КЭП сопоставима с энергией k-f электронного взаимодействия. В таких случаях учет взаимодействия с КЭП в конкретном исследуемом РЗ соединении является по мнению автора необходимым.
Цели работы.
Основными целями представленной работы были следующие:
-
изучить роль взаимодействия 4f электронов с КЭП в формировании свойств нестабильно-валентных систем;
-
определить вклад частично делокализованных 4f электронов в потенциал КЭП для ПВ состояния и состояния, близкого к границе ПВ и Коидовского режимов 4f электронной оболочки;
3) исследовать влияние нестабильной валентности на решеточные свойства СКЭС.
Для этого необходимо было выбрать конкретные нестабильно-валентные
соединения как объекты экспериментальных исследований. Принципиальное значение при выборе соединений имело следующее обстоятельство: При переходе системы из ПВ в Кондовское состояние не должно нарушаться ближайшее окружение РЗ ионов (т.е. не должны изменяться симметрия окружения и типы ближайших к РЗ ионов), поскольку именно ближайшее окружение в основном формирует потенциал КЭП.
Подходящим (а по ряду причин уникальным) объектом является гаггерметалдическое соединение CeNi, в котором валентное состояние ионов церия является лабильным 14а], т.е. сильно изменяется при замещении Се на La, что дает возможность исследовать спектр магнитных возбуждений At электронной подсистемы, свойства делокализованных 4f электронов, при постепенном переходе от ПВ состояния к Кондовскому режиму Ai оболочки. При воздействии на валентное состояние ионов церия за счет частичного замещения в РЗ подрешетке не изменяются симметрия решетки и типы ионов, формирующих ближайшее окружение РЗ.
Вторым объектом исследования является система CeNiSn - интерметаллическая система, в которой была обнаружена щель в магнитном спектре [5а,6а] (в более ранних работах сообщалось о существовании щели в электронном спектре этого соединения [7а]).
Были поставлены следующие конкретные физические задачи:
-
исследовать трансформацию спектра магнитных возбуждений нестабильно-валентной системы Ce^La^M! при ее переходе из ПВ состояния в Кондовское;
-
определить изменение вклада частично делокализованных 4f электронов в потенциал КЭП при переходе систем на основе CeNi из ПВ состояния в Кондовский режим 4J электронной оболочки;
3) изучить роль основных взаимодействий 4f электронов - взаимодействия с КЭП и
Кондовского k-f взаимодействия в формировании основного состояния.
5) исследовать влияние нестабильной валентности на решеточные свойства CeNiSn. Обе системы, выбранные в качестве объектов исследования, обладают кристаллической решеткой с низксй симметрией локального окружения РЗ ионов. КЭП. Поэтому первостепенное значение имело создание методики определения параметров гаміідьтоішанз КЭН для vuucm с іп;з,">й симметрией локального окружения РЗ ионов. Кроме того, для достплсш:" поставленных целей было необходимо решить ряд задач по развитию методики количественной обработки спектров неупругого магнитного рассеяния нейтронов, и результатов экспериментов по рентгеновской дифракции.
Научная новизна и практическая ценность работы.
Впервые исследована трансформация спектра магнитных возбуждений при переходе от ПВ состояния к Кондовскому режиму 4f электронной оболочки на
одной системе (Ce].xLaxNi) без нарушения ближайшего окружения РЗ ионов. Установлено, что качественная трансформация спектра происходит в соединениях, где энергия гибридизации близка к энергии расщепления основного 4f мультнплета в КЭП.
Б спектре магнитных возбуждений интерметаллнческой ПВ системы CeNi обнаружена щель с энергией около 20 мэВ при Т=12К .
Впервые определен вклад частично делокализованных 4f электронов в потенциал КЭП для различных состояний 4f электронной системы без нарушения ближайшего окружения РЗ ионов (при помощи метода парамагнитной метки в соединениях Prx(Ce,La,Y)|.xNi). В Кондовском состоянии (близком к переходу в ПВ режим) А! электроны церия влияют только на энергетический масштаб расщепления. В ПВ состоянии вклад частично делокализованных 4f электронов в потенциал КЭП качественно иной: помимо увеличения энергетического масштаба взаимодействия значительно изменяются параметры КЭП 4-го и 6-го порядков, что соответствует f-тип) симметрии пространственного распределения электронной плотности.
Для соединения CeNiSn исследованы условия формирования основного состояния: определены энергия спиновых флуктуации, характерная энергия
взаимодействия 4f электронов с КЭП, структура волновых функций основного 4f мультиплета ионов церия в КЭП RNiSn.
Определен вклад нестабильно-валентных ионов церня в термическое расширение системы CeNiSn. Установлено, что из-за особенностей строения кристаллической решетки соединение LaNiSn не может являться немагнитным решеточным аналогом CeNiSn.
В целом полученные результаты позволяют сделать вывод о существенной роли взаимодействия 4f электронов с КЭП при формировании свойств СКЭС. Они способствуют дальнейшему развитию теоретических представлений и стимулируют развитие экспериментальных исследований СКЭС.
В ходе работы был решен ряд методических задач, а именно:
Создана методика получения параметров гамильтониана КЭП в системах с низкой симметрией локального окружения РЗ ионов на основе комплексного анализа результатов неупругого магнитного рассеяния нейтронов, измерений теплоемкости и магнитных свойств.
Развит подход к определению потенциала КЭП низкосимметрнчных систем, базирующийся на последовательном понижении симметрии локального окружения от высокой к низкой.
На основе симметрийного анализа в систематизированной форме представлены соотношения между информацией, получаемой из нейтронного эксперимента для различных РЗ ионов в КЭП различной симметрии, и числом независимых параметров гамильтониана КЭП.
Развита методика количественной обработки спектров неупругого рассеяния ьейтронов (НРН), включающая выделение магнитной компонеігтьі рассеяния. аппроксимацию спектров магнитного рассеяния математическими функциями. соответствующими спектральным функциям для различных состояний 4! электронной оболочки.
Развита методика прецизионных измерении рентгеновских дифрактограмм б широком диапазоне температур, расчета параметров решетки и ЛКТР для кристаллических решеток любой симметрии.
Методика, созданная в настоящей работе для количественной обработки спектров НРН и расчета параметров гамильтониана КЭП может быть использована для достоверного определения характеристик основных взаимодействий в СКЭС при наличии надежной и полной экспериментальной информации.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на научных конференциях РНЦ "Курчатовский Институт" (ООЯФ-ИСФТТ, Москва, 1989-1994); на XXIX (Казань. )992) и XXX (Дубна, 1994) совещаниях по физике низких температур; на совещаниях по использованию рассеяния нейтронов в физике конденсированного
* ,.
состояния XI (Гатчина, 1991) и XII (Заречный, 1993); на научно-технической конференции МФТИ (Долгопрудный, 1994); на Международной конференции по физике силыюкоррелиромнных электронных систем (Сендай, 1992); на Российско-Французском семинаре по актуальным вопросам использования нейтронов в физике конденсированных сред (Гатчина, 1993).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Построение диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений. Она содержит 144 страницы текста, включая 33 рису паса, 2 тгЛ"г.'.н и глигпк лктеоатуры из 80 ссылок.