Введение к работе
Актуальность темы. Исследование электронной спиновой структуры твердого тела методами магнитной спектроскопии - одна из традиционных областей физики, вмещая много ответвлений, связанных с самыми различными научными направлениями (физика высоких энергий, металлофизика, электродинамика, нелинейная мэханияа и др.). В последнее время в этой области происходят значительные изменения, вызванные тенденцией перехода от исследования упорядоченного состояния вещества к изучении более общего - неупорядоченного состояния, в котором образуются кэтастабильные и неравновесные фазы.
Сегодня достигнуто весьма глубокое понимание упорядоченного состояния вецеств, разработаны достаточно общие модели и методы исследования [1-5] . Изучение неупорядоченного состояния имеет более краткую историю и продвинуто значительно d меньшей стегани. В настоящее время уже существует ряд теоретических моделей, в основном - феноменологических, разупоря-доченных ерзд, изложенных В работах Anderson P.W., Villain J.. Гурэвяча В.Л., Гинзбурга С.Л. и др. [6,7,14] . Однако, число экспериментов в области неупорядоченных состояний все еще остается сравнительно небольшим. Это связано о методическими и техническими сложностями, возникающими при работе с объектами, проявлявдими зачастую труднообъяснимые свойства. Наблюдающаяся разобщенность экспериментальных и теоретических исследований в этом направлениз объясняется отсутствием единого подхода в понимании данного круга явлений и чрезвычайной елсшностью эксперимента, связанной с неоднородностью основного состояния исследуемых объектов.
В связи с тем, что при построении теоретических моделей таких систем возникает большое число свободных параметров, которые сегодня могут быть интерпретированы весьма неопределенно, значительную роль в этой области физики призван играть эксперимент. При этом, большое значение имеет выбор как вполне соответствующих методов и условий эксперимента, так и наиболее характерных объектов исследований.
К объектам, на примере которых может успешно проводиться изучение данной проблемы, относится ряд достаточно доступ-
- 4 -ных для физики и техники структурно и магнитно неупорядоченных веществ, таких как металлические стекла, аморфные полупроводники и ферриты [8] , ряд диэлектриков со слабыми магнитными взаимодействиями (в том числе вещества поляризованных мишеней [9] ), сегнетоелектрики, органические биообъекты и др.
В частности, интерес исследователей вызывает широкий класс магнитных стекол, которые представляют собой практически новое агрегатное состояние вещества, характеризующееся непрерывностью свойств и занимающее промежуточное положение между жидкостью и твердым телом. В таких объектах достаточно достоверно реализуется неравновесное (метастабильное) состояние, которое обусловлено широким спектром времен релаксаций. Эта особенность проявляется практически во всех физических свойствах таких систем (проводимость, прочность, теплоемкость и т.д.) [8] . Именно зто обстоятельство делает их в равной мере интересным и многообещающим предметом фундаментальных физических исследований, материаловедения, электроники.
Кроме того, особый интерес представляет исследование в твердом теле явлений и процессов, где нелинейность динамических магнитных свойств проявляется достаточно сильно, что приводит к нарушению стабильности их состояний. В конечном счете это может быть причиной возникновения метастабильных состояний, а также - динамического беспорядка в таких системах [ю] .
Метод электронного спинового резонанса, позволяющий получать данные о локальных магнитных полях в веществе, может дать большой объем информации о сути вышеописанных явлений. Однако, этот метод может быть эффективно применен для изучения разупорядоченных систем, основное состояние которых не является локализованным,при серьезной его модификации, обеспечивающей выполнение двух важнейших условий. Первым условием является повышенная его информативность, что может быть обеспечено проведением эксперимента в области низких и сверхнизких температур. Второе условие состоит в повышении чувствительности и разрешающей способности метода, что сводится к необходимоета использования коротковолновой части миллиметрового диапазона электромагнитных волн, воздействующих на
- 5 -объект.
Иными словами, эффективность исследования данного круга явлений может быть поднята на качественно новый уровень только в результате комплексного решения задачи проведения эксперимента в области \и/кХ > j , то есть в области, где энергия кванта электромагнитного доля, поглощаемого веществом, превышает энергии теплового разупорядочения системы.
Таким образом, несмотря на очевидные преицущества сверх-низкотешературного радиофизического эксперимента в изучении магнитных свойств твердого тела (и, в частности, разупорядо-ченных объектов) такие исследования сталкиваются со значительными методическими и техническими трудностями реализации эксперимента и в настоящее время практически отсутствуют.
Все вышесказанное свидетельствует об актуальности исследования поставленных задач магниторезонансными методами, а также об актуальности развития адекватных методов и средств эксперимента.
Целью работы является экспериментальное исследование электронной спиновой структуры твердых тел, характеризующихся различными типами магнитного упорядочения, в области сверхвысоких частот и сверхнизких (Т<1 К) температур .когда пш/кТ>1, а также раэраоотка соответствующего методического и аппаратурного обеспечения.
Научная новизна данной работы заключается в разработке и создании радиофизического экспериментального комплекса для исследования динамических магнитных свойств веществ в широкой области рабочих температур (0,ЗК-25СК), частот (60 ГГц-150 ГГц), (в условиях 2*10 линейных условиях взаимодействия вещества с полем. Впервые экспериментально исследованы вещества поляризованных ядерных мишеней в области крайне низких температур и автором показана возможность образования в их электронной структуре' фазы с за- . мороженными спиновыми моментами. Впервые экспериментально обнаружено и исследовано явление динамической амплитудной биста-бильности и сопутствущий ему эффект дифференциального усиле- . ния в системе"квазиоптичеокий резонатор-парамагнетик? Впервые в области ftco/KT > Л методом электронного спинового резонанса экспериментально исследованы маханизмы поглощения электромагнитного поля магнитными двухуровневыми системами аморфного металла. Практическая и научная зз;ачимость результатов диссерта- . ционной работы состоит в том, что полученные экспериментальные данные являются определенным вкладом в разработку единого подхода к созданию моделей неупорядоченных (метастабильных) сред, позволяют разработать методики определения характерных параметров аморфного магнетика (температуру фазового перехода, степень кристалличности). Результаты работы могут найти применение при создании новых перспективных веществ поляризованных ядерных мишеней; при изучении динамических нестабильных и мультиста-бильных систем, динамического хаоса; при разработке новых приборов и усяройств низкотемпературной спектроскопии' и СВЧ техники и фпзики .миллиметрового диапазона длин волі!. Разработанный комплекс экспериментальных методик для исследования магнитоди-намических свойств веществ при радиоспектроскопически сверхнизких температурах монет быть применен в научных лабораториях, занимающихся изучением задач физики твердого тела, радиоспектроскопией и т.д. Достоверность результатов работы обеспечена использованием апробированных экспериментальных методик и проведенными оценками погрешностей. Полученные физические результаты совпадают в предельных случаях с данными других авторов и не про- тиворечат общефизическим критериям и имеющимся моделям. . Основные положения, выносимые на защиту заключаются в следующем. Ї. С целью исследования магнитных свойств веществ в милли- . - 7 -метровом диапазоне радиоволн при сверхнизких температурах разработано- специальное аппаратурное и методическое обеспечение эксперимента. На базе разработанного и созданного автором ранее радиофизического комплекоа "БУРАН" разработан и создан комплекс "БУРАН-М", обладающий расширенными экспериментальными возможностями, вырааавщзшися в автоматизации радиофизического эксперимен-та и'значительном увеличении диапазона температур (до 0.3К+250К). Разработана методика магниторезонансных, измерений как в слабых, так и в сильных электромагнитных полях в области ра-диоспектроскопически сверхнизких температур с помощью специальных, открытых резонансных структур. 2. В миллиметровом диапазоне длин волн исследованы магнит С помощью метода электронного магнитного резонанса показано, что эффективность исследованных веществ, как поляризованных миле ней возрастает с понинением температуры. Установлено наличие и определены характерные энергии магнитных даухуровневых систем в веществах мишеней, показана возможность образования в таких веществах магнитной фазы с замороженными электронными спинами при Т < I К. . 3. Экспериментально исследованы нелинейные свойства квазиоп Экспериментально обнаружено явление амплитудной биста-бильности а нелинейном квазиоптлческоы открытом резонаторе. Опреденены условия раздельного проявления кадцого из двух типов амплитудной бистабильности - абсорбционной и дисперсионной. . - , ' Обнаружен эффект дифференциального усиления в нелинейном квазиоптическом двухзеркальном открытом резонаторе с насыщающимся магнитным заполнением. 4. Изучены динамические магнитные свойства аморфных металли - 8 -ны достоинства метода магнитного резонанса миллиметрового диапазона радиоволн как инструмента для исследования фундаментальных свойств неупорядоченных систем. Исследованы степень кристаллизации, концентрационные и эвтектические характеристики ферромагнитных аморфных сплавов и предложены магниторазонансные способы изучения таких фундаментальных свойств аморфных магнетиков. Изучено магниторезонансное поглощение влектромагнитно-го поля миллиметрового диапазона в возвратных магнетиках и найдены температурные условия применимости модели магнитных > двухуровневых систем (ДУС) для описания свойств таких объектов. Показана возможность раздельного наблюдения и исследования различных механизмов взаимодействия магнитных ДУС с электромагнитной волной в фазе спинового стекла и установлено, что в области Й.ш/кТ > і основной вклад в величину поглощения дает поперечный механизм взаимодействия. Определены величины энергии расщепления ДУС в возвратных магнетиках (FexHi100_:i)77B:L3Si]L0. Обнаружено проявление дополнительной независимой магнитной подсистемы в металлическом стекле вблизи мультикритичес-кой точки магнитных фазовых состояний. Апробация работы. Основные материалы работы были представле-- ны и докладывались на следующих конференциях и совещаниях: УШ Международная конференция по сверхтонким взаимодействиям (Чехословакия, Прага, 1989); I и П международные конференции по технологии миллиметрового и дальнего инфракрасного диапазонов (Китай, Пекин, I - 1989, П - 1992); Конференции международного общества оптической техники (spie ):1- Материалы новых оптоэлектронных устройств (США, Беллингам, 1991), 2 - Техника миллиметровых и инфракрасных волн (США, Лос-Анжелес, 1993); 16-я Международная конференция по технике инфракрасных и миллиметровых волн (Швейцария, Лозанна, 1991); 4-й Международный семинар по спиновым явлениям в физике высоких энергий (СССР, Протвино, 1991); Международная конференция spih -89 (СССР, Протвино, 1989), Всероссийская школа-семинар по физике мм и субмм волн (Россия, Москва, I993J Международная конференция по применению магнитных материалов EMMA 93 (Словакия, Кошице, 1993). Результаты работы докладывались также на научных семинарах ИРЭ АН Украины, ФТИНТ АН Украины. По результатам диссертации опубликовано 49 печатных работ. Список основных публикаций приведен в конце автореферата. Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы 305 страниц, включая 70 рисунков, и список литературы из 180 наименований.
ные свойства веществ поляризованных ядерных мишеней и показано,,
что роль диполь-дипольных взаимодействий в их электронной спино
вой структуре уменьшается с пониканием температуры.
тического двухзеркального резонатора с насыщающимся заполнением
при %uj//KT > А и показана целесообразность примене
ния таких резонансных структур в магнитной радиоспектроскопии, а
такяе в области физики и техники миллиметровых волн.
ческих сплавов в различных магнитных фазовых состояниях и показа-