Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Оптические свойства прозрачных диэлектриков, содержащих 3d ионы 16
1.1. Тензор диэлектрической проницаемости 16
1.2. Экситонное поглощение света в магнитных диэлектриках 18
1.3. Экситон-магнонное поглощение света в магнитных диэлектриках 28
1.4. Участие колебательных мод в формировании спектров поглощения света 40
1.5. Связь размерности магнитного порядка с оптическим поглощением 44
1.6. Поглощение света примесными кристаллами 46
1.7. Магнитооптические эффекты в магнетиках 47
Глава 2. Аппаратные средства исследования оптики и магнитооптики магнитных диэлектриков 63
2.1. Установка для низкотемпературных исследований оптического поглощения прозрачных магнетиков 63
2.2. Условия рефрактометрических измерений 67
2.3. Получение и измерение низких температур 72
2.4. Приготовление образцов 72
Глава 3. Оптическое поглощение магнитоконцентрированных диэлектриков 76
3.1. Спектры поглощения света 2d антиферромагнетика Rb2MnCl4 77
3.1.1. Кристаллическая и магнитная структура 77
3.1.2. Экспериментальные результаты измерения поглощения света в 2d магнетике Rb2MnCl4 79
3.1.3. Симметрийный анализ оптических переходов в ИЬгМпСЦ 87
3.1.4. Экситонное поглощение в Rb2MnCl4 93
3.2.5. Экситон-магноиное поглощение в Rb2MnCU 94
3.1.5. Фононные повторения в оптическом спектре ЯЬ2МпСЦ 108
3.2. Оптический спектр антиферромагнитного NaMnCb 110
3.2.1. Кристаллическая и магнитная структура NaMnCb- 110
3.2.2. Экспериментальные результаты измерения поглощения света в NaMnCl3 113
3.3.3. Симметрийный анализ оптических переходов в NaMnCl3 124
3.2.3. Экситонное поглощение в NaMnCb 125
3.2.4. Экситон-магнонное поглощение в NaMnCb 127
3.3. Поглощение света политипными фазами антиферромагнитного RbMnCl3 140
3.4. Роль магнитного порядка в формировании тонкой структуры оптического спектра поглощения кристаллов 150
Глава 4. Особенности поглощения света разбавленных магнетиков 153
4.1. Экспериментальные результаты измерения оптического поглощения Rb2MnxCaVxCl4 153
4.1.1. С группа полос [182,183] 154
4.1.2. D группа полос [184-186] 157
4.2. Одночастичные оптические переходы в спектрах Rb2MnxCaYxCl4 160
4.3. Коллективные и локальные возбуждения в кристаллах, разбавленных немагнитными ионами 162
4.3.1. Оптическое поглощение, сопровождающееся возбуждением магнитной подсистемы кристаллов 162
4.3.2 Безмагнонные полосы 166
4.3. Спектроскопическое исследование магнитного состояния Rb2MnxCd,.xCl4[187] 167
Глава 5. Влияние магнитной структуры на двулучепреломление света антиферромагнетиков 170
5.1. Дисперсия показателей преломления двойных галогенидов типаАВХз 170
5.2. Магнитный вклад в двулучепреломление Мп содержащих антиферромагнетиков 175
5.2Д. Двупреломление света в Rb2MnCl4 [135,136,196-197] 175
5.2.2. Двупреломление света в NaMnCl3 [159,200] 178
5.3. Изменение двулучепреломления антиферромагнетиков при варьировании магнитного порядка внешним магнитным полем 184
5.3.1. Изменение двупреломления MnF2 при спин-флопе [203] 184
5.3.2. Зависимость двуперломления КЬгМпСи от магнитного поля 187
5.3.3. Зависимость двуперломления NaMnCb от магнитного поля. 189
5.4. Исследование фазового состояния кристаллов с помощью линейного и кругового двулучепреломления 192
Заключение 197
Список литературы 200
- Экситон-магнонное поглощение света в магнитных диэлектриках
- Экспериментальные результаты измерения поглощения света в 2d магнетике Rb2MnCl4
- Роль магнитного порядка в формировании тонкой структуры оптического спектра поглощения кристаллов
- Коллективные и локальные возбуждения в кристаллах, разбавленных немагнитными ионами
Введение к работе
Актуальность работы. Оптические и магнитооптические свойства твёрдых тел находят широкое применение во многих областях современной техники - генерация и детектирование света, передача, обработка, запись, хранение информации и т.д., причём потребность в материалах, обладающих высокими потребительскими оптическими свойствами, постоянно возрастает. Целенаправленный поиск таких материалов невозможен без знания механизмов взаимодействия света с веществом. Общие принципы описания такого взаимодействия известны, однако из-за сложности общей задачи получение адекватного эксперименту её решения проблематично без использования эмпирических данных. Экспериментальные исследования оптических свойств материалов до настоящего времени дают новые данные для развития представлений о микроскопических механизмах взаимодействия вещества со светом и их проведение необходимо для развития этих представлений. Оптические свойства вещества весьма разнообразны и определяются структурой и внутренними взаимодействиями и могут быть описаны с помощью тензоров диэлектрической и магнитной проницаемости. Конкретные оптические и магнитооптические эффекты выделяются в виде вкладов в вещественную и мнимую части различных компонент материальных тензоров. С этим связаны и методы исследований - спектроскопические и рефрактометрические. Их совместное использование дополняет друг друга.
Интерес к исследованию оптических свойств прозрачных магнитных диэлектриков, в состав которых входят металлы переходной группы, определяется тем, что наряду с кристаллической структурой магнитная структура в них оказывает значительное влияние на оптические свойства. При этом магнитный порядок влияет как на рефрактометрические свойства, так и на оптические спектры кристалла. Симметрийный анализ позволил прогнозировать наличие различных магнитооптических эффектов, определяющихся магнитной структурой. Факт наличия предсказанных эффектов и их величины можно установить экспериментально. Действительно, часть предсказанных магнитооптических эффектов экспериментально обнаружена и регулярно открываются новые эффекты, проявление которых требует благоприятного сочетания структурных, магнитных свойств и величин внутренних взаимодействий в веществе. Магнитооптические эффекты лежат в основе прикладного использования кристаллов. Эти эффекты определяются магнитной структурой кристалла, поэтому их можно использовать и для изучения самого магнитного порядка в нём.
Магнитный порядок в таких кристаллах связан, как правило, с электронами незаполненных d или f оболочек ионов переходных металлов. Поглощение света в них определяется переходами в пределах этих же оболочек и поэтому на такие переходы наложены запреты, определяемые правилами отбора, в результате чего интенсивность переходов должна быть ма-
рос. национальная]
3 БИБЛИОТЕКА 1 СПстцАдаг /л [ ОД wQuktM \
лой. Эксперимент подтверждает наличие поглощения d и f ионами в ожидаемой части спектра, но вместо небольшого числа слабых линий, которое должно наблюдаться при интерпретации спектров в одноионном приближении, при низких температурах наблюдается тонкая структура спектров, с большим числом полос разной интенсивности. Тонкая структура спектра может интерпретироваться как следствие многочастичных возбуждений, когда в процессе поглощения света в кристалле участвуют несколько квазичастиц, образующихся за счёт периодической кристаллической и магнитной структур (экситоны, фононы, магноны). Из-за сложности идентификации поглощение света, связанное с многочастичными процессами, практически не изучено.
Если идентификация полос тонкой структуры кристалла успешна, то из спектров поглощения света можно получить богатую информацию об энергетической структуре кристалла, включая и низкоэнергетические возбуждения (энергетические характеристики элементарных возбуждений, величины взаимодействий, дисперсионные характеристики и др.). Успех зависит от правильности выбранной модели и знания основных закономерностей формирования ветвей спектра в зависимости от типов взаимодействий, кристаллической и магнитной структуры кристалла. Выявление таких закономерностей - всегда актуальная задача, как теоретического исследования, так и экспериментального изучения.
Состояние проблемы. Экспериментальных работ, посвященных исследованию оптических свойств прозрачных магнетиков, выполнено много. На их основе сформулированы основные принципы описания оптических свойств магнетиков. Однако большое число факторов, влияющих на взаимодействие света с кристаллом, приводит к тому, что практически любой новый магнитный кристалл становится сложным объектом для магнитооптического исследования, обнаруживая новые особенности в оптических свойствах. При этом могут проявляться как особенности в тонкой структуре энергетического спектра в оптической области, связанные с особенностями кристаллической и магнитной структуры, так и обнаруживаться новые магнитооптические эффекты Несмотря на то, что публикуется значительное число работ по магнитооптике, разнообразие реализующихся магнитных и кристаллических структур оставляет значительное поле для наблюдения новых магнитооптических эффектов и механизмов взаимодействия света с кристаллом. В связи с этим цели данной работы - экспериментальное изучение поглощения света в ряде Мп2+ содержащих кристаллов, обладающих различными особенностями кристаллической и магнитной структуры, и их рефрактометрических свойств; установление природы полос тонкой структуры спектра поглощения света; изучение магнитного состояния кристаллов оптическими методами; установление закономерностей влияния магнитного порядка на оптические свойства магнетиков.
Для достижения цели решались следующие задачи: изучение тонкой структуры спектров оптического поглощения кристаллов с различной кристаллической структурой при варьировании магнитного порядка в них внешними воздействиями - температурой, магнитным полем, давлением, концентрацией замещающей магнитный ион немагнитной примеси;
- измерение рефрактометрических характеристик магнетиков при изме
нении магнитного порядка при индуцированных фазовых переходах в них;
создание экспериментальных магнитооптических установок для измерения оптических свойств магнетиков, с помощью которых можно создать внешние воздействия, заметно меняющие магнитную структуру кристалла, при прецизионности измерений (низкие температуры, сильные импульсные магнитные поля);
- построение адекватных экспериментальным данным моделей, описы
вающих поведение оптических свойств кристаллов, и учитывающих осо
бенности магнитной структуры в них.
Объекты и методы исследования. Экспериментально исследовавшиеся в данной работе кристаллы - это кристаллы, в состав которых входят ионы Мп2+, имеющие внешнюю 3d5 электронную оболочку. Галоге-нидные, двойные галогенидные, их гидраты, некоторые оксидные соединения ионов переходных металлов 3d группы, кристаллизуясь, образуют прозрачные диэлектрики, с кристаллической структурой, в которой 3d ионы находятся в почти октаэдрическом окружении ионов галогена. Октаэд-рическая симметрия окружения 3d ионов определяет глобальную структуру d уровней в оптической области. В то же время из-за низкосимметричных искажений в ряду этих кристаллов наблюдается разнообразие кристаллических структур. Эффективное обменное взаимодействие между 3d электронами, реализующееся через ионы-лиганды, приводит к магнитному упорядочению спиновой системы 3d электронов ионов переходных металлов. Знак обмена и анизотропия варьируют от кристалла к кристаллу. В результате, в кристаллах реализуются различные магнитные структуры, радикально меняя спектры оптического поглощения, и оказывая влияние на другие оптические свойства.
В работе исследовались поглощение света и рефрактометрические свойства кристаллов двойных галогенидов и галогенидов: ЯЬгМпСЦ, NaMnCl3, политипные кристаллические фазы соединения ЯЬМпСЦ, МпБг, CsMnCb, некоторые немагнитные аналоги и система твёрдых растворов Ш)2МпхСс1і_хСІ4. Выбор Мп содержащих кристаллов определяется тем, что кратность орбитального вырождения для d5 электронов в этих ионах совпадает с числом d электронов. Поэтому основное состояние Мп2+ есть орбитальный синглет, отстоящий по энергии далеко от других орбитальных состояний. В этом случае однозначно определяется основное высокоспиновое состояние, облегчая интерпретацию результатов спектрального изучения. По этой же причине теоретические исследования тонкой струк-
туры оптических спектров, которые использовались при интерпретации спектров, проводились, в основном, применительно к магнитным диэлектрикам, содержащим ионы с внешней d электронной оболочкой (в первую очередь ионы Мп ).
Все исследованные в работе кристаллы при низких температурах обнаруживают антиферромагнитный порядок. Однако преобладающий обмен может быть как антиферро-, так и ферромагнитным. Изо метричная или слоистая кристаллическая структура исследованных кристаллов приводят к реализации в них как трёхмерного, так и низкоразмерного магнитного порядка. Величины обменных взаимодействий и анизотропия в кристаллах таковы, что в доступной с помощью импульсной методики области внешних магнитных полей в них индуцируются магнитные фазовые переходы, при которых происходят изменения в магнитном порядке. В системе твёрдых растворов магнитное фазовое состояние изменяется при изменении концентрации магнитных ионов и переходе её через точку перколяции. Таким образом, в этих кристаллах реализуются различные магнитные структуры и их перестройка при фазовых переходах.
Кристаллы были выращены кристаллизацией из расплава в Институте физики им. Л.В.Киренского СО РАН Безносиковым Б.В. и Коковым И.Т. Кубическая фаза ЯЬМпСІз получена перекристаллизацией гексагонального КЬМпСІз при высокой температуре и давлении в Институте физики твёрдого тела РАН в Черноголовке.
Оптическое поглощение регистрировалось с помощью спектральной установки высокого разрешения, созданной на базе решёточного спектрометра ДФС-8. Низкотемпературные измерения проведены с использованием гелиевых жидкостных и проточных криостатов, в которых температура образца изменялась в пределах 1,8 - 300 К. Напряжённость импульсных магнитных полей, которые прикладывались к образцу, изменялись в пределах от 0 до 250 кЭ.
Научная новизна.
Все экспериментальные и расчётные результаты работы получены впервые.
Впервые экспериментально изучено поведение полос тонкой структуры оптического спектра поглощения ряда антиферромагнитных диэлектрических хлоридов марганца, обладающих различными особенностями магнитной и кристаллической структур: магнитоконцентрированных и диамагнитно разбавленных; с преобладающим антиферро- или ферромагнитным обменом; имеющих двумерный или трёхмерный магнитный порядок; имеющих одинаковый состав, но различную кристаллическую структуру.
Изменения в поглощении света изучены при магнитных фазовых переходах, происходящих при изменении температуры, магнитного поля, концентрации магнитных ионов, что стало возможным благодаря уникальным экспериментальным возможностям.
Установлены механизмы, ответственные за формирование полос тонкой структуры оптических спектров. На основании этого получены энергетические характеристики как оптических, так и низкоэнергетических (магнитных и решёточных) возбуждений кристаллов.
Впервые в оптических спектрах низкомерных антиферромагнетиков обнаружены полосы поглощения света сложной структуры, обусловленные участием в поглощении нескольких магнонов (холодные и горячие маг-нонные спутники экситон-магнонной полосы), а также присутствием немагнитной примеси.
Изучены рефрактометрические характеристики ряда галогенидов марганца. В частности, впервые изучено поведение магнитного двупре-ломления света при магнитных спин-переориентационных фазовых переходах, индуцированных сильным магнитным полем.
На основе результатов спектроскопических и рефрактометрических измерений построены различные диаграммы магнитного фазового состояния кристаллов.
Практическая ценность результатов исследования заключается в паспортизации оптических свойств исследованных кристаллов. Оценена перспектива использования их в оптических устройствах в качестве магнитооптических и упругооптических преобразователей. Изменение двупре-ломления кристаллов при магнитных фазовых переходах, в принципе, может быть использовано при построении преобразователей светового луча в светоуправляющих устройствах. Впервые наблюдавшиеся и интерпретированные особенности построения спектров поглощения света, связанные с многочастичными процессами, способствуют развитию представлений о природе оптических свойств магнитных диэлектриков. Основные защищаемые положения:
1. Механизмы оптических возбуждений и многочастичная природа полос
поглощения тонкой структуры оптических спектров изученных анти
ферромагнитных соединений марганца. Структура экситонных зон, по
строенных на внутриконфигурационных переходах ионов Мп2+, которая
определяется кристаллическим полем, особенностями обменного взаи
модействия, спин-орбитальным взаимодействием. Энергетические ха
рактеристики элементарных возбуждений в исследованных кристаллах.
Учёт дисперсии экситонов в экситон-магнонном поглощении при расшифровке тонкой структуры спектров поглощения, которая приводит к появлению дополнительных полос в оптическом спектре, усложняя его. Дисперсия экситонной зоны различна для разных орбитальных состояний иона Мп2+. В результате форма магнонных спутников экситонных полос различна в группах полос, порождённых с участием разных орбитальных состояний.
В слоистом антиферромагнетике с преобладающим ферромагнитным обменом в слоях основньм является «горячий» механизм экситон-магнонного поглощения света. В таком процессе значительный вклад в
поглощение могут давать не только магноны с волновым вектором вблизи центра зоны Бриллюэна, но и магноны с волновыми векторами, соответствующими приграничным точкам зоны Бриллюэна, при наличии ветвей в спектре спиновых волн, имеющих там низкую энергию. С учётом дисперсии экситонов спектр поглощения света значительно модифицируется.
Расчёт для двумерного антиферромагнетика с квадратной решёткой поглощения света, обусловленного горячими и холодными спутниками экситон-магнонных полос. Обнаружение широких структурных полос поглощения света антиферромагнетика при индуцировании неколлинеарности магнитных моментов подрешёток. Широкополосное поглощение обеспечивается участием магнонов с волновыми векторами любых точек зоны Бриллюэна. Обнаружение появления поглощения на частоте экситонного перехода в неколлинеарной фазе, которое является горячим повторением экситон-магнонной полосы с особенностями температурного поведения, связанными с низкой размерностью магнитного порядка кристалла.
Расшифровка тонкой структуры спектров политипных фаз антиферромагнитных диэлектриков ЯЬМпСІз. В сложном спектре полос оптического поглощения разделены вклады в оптическое поглощение, связанные с магнитными ионами, занимающими неэквивалентные позиции в элементарной ячейке в гексагональном RbMnClj, а также обусловленные разными многочастичными механизмами.
Обнаружение в спектрах поглощения диамагнитно разбавленных кристаллов полос поглощения, связанных с новым механизмом, когда свет поглощается обменно связанными парами ионов марганца, вблизи которых присутствует немагнитная примесь, модифицирующая локальное молекулярное поле.
Обнаружение существования полос поглощения света типа экситон-магнонных при температурах, значительно превышающих TN , и при концентрации магнитных ионов ниже точки перколяции, что является следствием проявления спиновых флуктуации в низкоразмерных магнитных системах.
Разделение вкладов разной природы в магнитное двупреломление КЬгМпОД, NaMnCb, M11F2 на основании изучения его поведения в сильных магнитных полях, индуцирующих фазовые переходы. Определение по рефрактометрическим данным ряда физических параметров: обмена и анизотропии в основном состоянии, фазовых границ, энергетических характеристик прямых разрешённых переходов.
Диаграммы фазового состояния исследованных магнитных кристаллов, построенные спектроскопическими методами, с использованием полос поглощения, чувствительных к внутренним ПОЛЯМ.
Публикации.
Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 24 работах.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы прошли апробацию на всероссийских и международных конференциях, научных семинарах, в том числе на: "International Conference on Magnetism" (Мюнхен, 1979; Вроцлав,
1980; Рим, 2003); Всесоюзных конференциях по Физике магнитных явлений (Харьков, 1979; Пермь, 1981; Тула, 1983); Всесоюзных совещаниях по Физике низких температур (Харьков, 1980; Тбилиси, 1986); Всесоюзных симпозиумах по спектроскопии кристаллов (Ленинград, 1982; Свердловск,
1985); Сибирском авиакосмическом салоне (Красноярск, 2001); Moscow International Symposium on Magnetism (Москва, 2002); международных семинарах "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Москва, 2002; Москва, 2004); Всероссийском совещании по физике низких температур (Екатеринбург, 2003); II Байкальской международной конференции "Магнитные материалы" (Иркутск, 2003); 2 Euro-Asian Symposium "Trends in Magnetism" (Krasnoyarsk, 2004), 7 Международном симпозиуме "Фазовые превращения в твёрдых растворах и сплавах", Сочи, 2004. Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка. Общий объём диссертации 220 страниц, включая 85 рисунков, 12 таблиц и списка цитируемой литературы из 207 наименований.
Экситон-магнонное поглощение света в магнитных диэлектриках
Электронные одноионные (экситонные) переходы в кристаллах обсуждаемого класса имеют интенсивность, составляющую малую долю полной интенсивности поглощения света. Экспериментальные результаты измерения оптического поглощения возможно понять лишь при допущении реализации сложных механизмов возбуждения светом многих квазичастиц - экситонов, магнонов и проч. В частности, в двухчастичном процессе при поглощении фотона в кристалле рождаются две квазичастицы. Если они не взаимодействуют, то поглощение происходит на частотах (l/h)[EM (khfi) + Ev(k2,f2)], где k[ + k2 = q «О, а Е (kb/j) и ,, 2,,/2)-энергии//и к дисперсионных ветвей волн возбуждений квазичастиц. Участите в поглощении квазичастиц с любыми к в случае широких энергетических зон квазичастиц приводит к образованию широких полос поглощения. В магнитоупорядоченных кристаллах появляется возможность поглощения света с участием спиновых волн - магнонов. В этом случае комбинированные с магнитными оптические ветви называют эк-ситон-магнонными. Механизмы, приводящие к электродипольному поглощению в магнитных кристаллах, строятся на основе общей теории парных возбуждений [32], в соответствии с которой одним световым квантом возбуждается пара взаимодействующих ионов. В частном случае магнитного кристалла - это обменная часть кулоновского взаимодействия.
Гамильтониан взаимодействия света с кристаллом при электродиполь-ном переходе представляется в виде где РэфСч О» ) _ эффективный электрический дипольный момент кристалла; характеризует уровень возбуждённого иона; Е0 - электрический вектор световой волны. Для парного экситон-магнонного перехода в антиферромагнитных кристаллах без учёта взаимодействия между квазичастицами коэффициент поглощения света поляризации т получается [33,12]: дипольный момент перехода в паре ионов па, mj3\ Rna, Rmp - их радиус-векторы. Формула (8) описывает форму полосы экситон-магнонного поглощения, называемого одномагнонным спутником экситона. Она отражает плотности распределения магнонных и экситонных состояний. В случае пренебрежения экситонной дисперсией, а именно так обычно поступают при интерпретации экспериментальных результатов, максимум экситон-магнонного поглощения будет соответствовать волновым векторам магнонов, для которых плотность состояний имеет максимум. Для простых трёхмерных магнитных структур — это граничные точки зоны Бриллюэна, для которых є и oN. В этом случае максимум экситон-магноннного поглощения лежит на частоте Ц+м = Ц + vM, и, - частота экситонной линии vM - частота магнона на границе зоны Бриллюэна. На рис. 4 приведены а- и я- спектры антиферромагнитного MnF2 [14,34] в области перехода 6Aig — Tg(4G), где присутствуют экситонные полосы Е\ и Ei и их магнонные спутники Мс\ и Маг. Полоса Е\ имеет ещё один магнонный спутник в я— поляризации - Мк\. Для тетрагонального MnF2 значения энергии магнонов в разных точках границы зоны Бриллюэна заметно отличаются, вследствие этого в спектре MnF2 наблюдаются магнонные спутники, образованные с участием магнонов из разных точек анизотропной зоны Бриллюэна с энергией 41 {Мс\) и 58 см-1 (Мл{) соответственно. В кубических анти ферромагнетиках (например, KMnF3, RbMnF3 [35,36]) у экситонных полос наблюдается только по одному магнонному спутнику.
В парных экситон-магнонных переходах снимается запрет и по чётности и по спину. Запрет по спину снимается в антиферромагнитнетике за счёт того, что светом возбуждается экситон с уменьшением проекции спина на единицу и одновременно возбуждается магнон из другой подрешётки с увеличением проекции спина на единицу (схема рис.5, д). Указанный экситон-магнонный процесс не единственный возможный двухчастичный процесс возбуждения магнетика. Используя метод Шинагава-Танабе [37], авторы работы [38] рассмотрели возможные типы экситон-магнонных процессов поглощения света в антиферромагнетиках, когда экситонные переходы строятся на одноионных возбуждениях типа5, Ms S-\,MS , где Ms» = Ms, Ms± 1 . Схемы образования парных экситон-магнонных возбужденний в антиферромагнетике приведены на рис. 5. Интенсивность экситон-магнонных переходов зависит от магнитной структуры кристалла. В [38] получены зависимости интегральной интенсивности полос поглощения, соответствующих возбуждению нескольких магнитных ионов, от углов между направлением магнитных моментов подрешёток и внешнего магнитного поля. Схема рис. 5, д соответствует обсуждаемому экси-тон-магнонному процессу, когда светом в соседних подрешётках возбуждаются экситон и магнон. Угловая зависимость интенсивности его даётся соотношением: К sin40, где в— (в а -$0)12 ,ваивр -углы между подрешётками а и/? и внешним магнитным полем. Поглощение света происходит на частоте v = уэ + vM . Это первый из экситон-магнонных механизмов, который обсуждался многими авторами, в частности, выписанная угловая зависимость интенсивности полос получена Петровым Э.Г. [39]. Такое поглощение возможно при температуре Т = 0К, поэтому его ещё называют холодным экситон-магнонным (или просто экситон-магнонным).
Экспериментальные результаты измерения поглощения света в 2d магнетике Rb2MnCl4
Поляризованный спектр поглощения Rb2MnCl4 в области 6Aig(6S)-»4Aig,4Eg(4G) перехода (С группа полос) в ионе Мп2+ при Т = 1,8 К изображен на рис, 16. Частоты, полуширины полос и их поляризация приведены в табл. 2. Первые полосы спектра в С группе достаточно четкие и обособленные. Поглощение в области частот 23800 см-1 имеет вид широкого бесструктурного купола, образованного суперпозицией большого числа полос многочастичной природы. Практически все наблюдавшиеся в С группе полосы на кристаллах использованной толщины имеют а и а поляризацию. В 7Г спектре зафиксировано небольшое число слабых линий, распределение интенсивности по поляризациям в которых нельзя определить из-за на несколько порядков более интенсивных а и а спектров. Обращает на себя внимание красная асимметрия полосы См2 Из рис. 16 видно, насколько интенсивна полоса Смг по сравнению с остальными рассматриваемыми полосами красной области С группы. Поэтому при повышении температуры; когда происходит даже незначительное размытие полосы СМ2 , остальные полосы становится трудно наблюдать.
Так слабые полосы Cpi, Смь Ср2, Ср5, Срб, Ср7 уже при Т 20 К теряют четкость и сливаются с полосой Смг- Полоса же Смг прослеживается до температур Т 120 К и до Т и 50 К, пока ее полуширина меньше 30 см"1 не обнаруживает заметного сдвига по частоте. При Т 50 К постепенно растет интенсивность красного крыла полосы Смг отражая, по-видимому, возрастание роли "горячих" процессов в поглощении. Частота полосы Сш , за которой можно проследить до Т - 25 К, меняется не более чем на 2 см"1. Спектры поглощения кристалла при Т - 4,5 К в магнитном поле Н[С4 приведены на рис. 17. В магнитном поле, меньшем поля H$F, не наблюдается заметных изменений в спектре поглощения в указанной области частот. Однако при спин-флоп переходе происходят аномальные изменения полос спектра. Полосы Смі и См2 скачком смещаются в красную область на 5 см-1. Изменяется спектр в области полосы СМ2 Здесь с ростом поля во флоп-фазе появляются дополнительные полосы, а сама Смг явно ослабляется. Ожидаемого после анализа природы полос аналогичного изменения поглощения в области полосы Смі наблюдать не удалось из-за того, что она много слабее СМ2 и накрывается поглощением, связанным с СМ2- На частотах полос СЕі и СЕ2 в сильных полях (Н 100 кЭ) появляются и нарастают по интенсивности новые полосы - Смі-м и В области 6Aig(6S) -4T2g(4D) перехода (D группа полос) в Rb2MnCl4 спектр представлен в основном узкими интенсивными электродипольными полосами. Мультипольность полос следует из рис. 18, на котором приведены поляризованные спектры поглощения кристалла, снятые при Т = 4,2 К. В табл. 2 приведены частоты, полуширины и идентификация полос поглощения D группы. а-спектры D группы Ш МпСЦ при различных температурах изображены на рис. 19. Температурная зависимость частот двух узких интенсивных полос Di и Dio приведена на рис. 20.
Остальные полосы имеют либо большую полуширину, либо слабую интенсивность, что затрудняет точное определение их частоты. Поведение полос D группы Rb2MnCl4 в магнитном поле не обнаруживает неожиданных аномалий. Все наблюдаемые в D группе Ш МпСЦ полосы не расщепляются во всем интервале использованных полей. Лишь в поле Н С4 оси, когда происходит опрокидывание магнитных моментов подрешеток, наблюдается пороговое смещение всех полос -рис. 21. Полосы D4 и Dg тс спектра терпят скачок соответственно на 20 и 50 см" в сторону высоких энергий. Полосы а - спектра смещаются в противоположную сторону на 24 см-1, В магнитном поле, перпендикулярном С4 оси, напряженностью до 200 кЭ, не было замечено изменений в спектре в области D группы. В приведенном выше описании поведения полос опущены из рассмотрения полосы D9, DM - Di7. Полуширины их превышают 100 см-1, поэтому заметить малое изменение их частоты невозможно. На рис. 22 представлены а спектры D группы Ш МпСЦ, находящегося под прессом, при различной величине одноосного давления. Зависимость величины расщепления полос Dj и Di0 от одноосного давления, приложенного вдоль С4 оси при Т = 4,2 К изображена на рис. 23.
Роль магнитного порядка в формировании тонкой структуры оптического спектра поглощения кристаллов
В диэлектрических кристаллах, содержащих ионы двухвалентного марганца, оптическое поглощение обязано переходам в пределах d оболочки ионов марганца, которые запрещены по спину. Одним из эффективных механизмов снятия запрета по спину является механизм парного экситон-магнонного возбуждения. Поэтому в магнитоупорядоченной фазе в спектрах магнетиков и наблюдаются сравнительно интенсивные полосы экситон-магнонного поглощения (пп. 3.1- 3.4). Однако их структура, форма, интенсивность зависит от конкретной магнитной структуры магнетика. В коллинеарном антиферромагнетике интенсивные электродипольные холодные экситон-магнонные полосы отражают свойства участвующих в поглощении света квазичастиц — экситонов и маг-нонов. В случае их малого взаимодействия такие полосы отражают плотность их состояний в зоне Бриллюэна. Причём, как дисперсия экситонов, так и экси-тон-магнонное взаимодействие для различных орбитальных состояний различны. Так в исследованных кристаллах ШэгМпСЦ и NaMnCl3 обнаружена значительная дисперсия экситонных зон для квазичастиц, происходящих из состояний 4G симметрии Е (пп. 3.1, 3.2). В то же время экситонная дисперсия в состояниях, происходящих из T2g( D) мала и магнонные спутники экситонных полос здесь отражают плотность магнонных состояний в зоне Бриллюэна.
Будучи чувствительными к ближайшему окружению, оптические возбуждения реагируют на ближний магнитный порядок. Характерное для двумерных магнитных систем существование ближнего магнитного порядка обнаруживается в оптических спектрах в виде существования достаточно чётких экси-тон-магнонных полос при температурах выше температуры Нееля (Rb2MnCU). Подобное поведение экситон-магнонных полос проявляется и в случае NaMnCb, в котором реализуется ферромагнитное взаимодействие в слоях ионов Мп2+, превосходящее по величине межслоевое взаимодействие. При низких температурах вклад в экситон-магнониое поглощение дают, в основном, коротковолновые магноны. При высоких температурах светом возбуждаются пары обменно связанных ионов с локально скоррелированными спинами.
Эффект низкой размерности магнитного порядка сильно проявляется в форме экситон-магнонных полос и особенно для экситон-многомагнонных полос поглощения света. С ростом относительной плотности магнонных состояний во внутренних точках зоны Бриллюэна магнонные полосы спутники становятся более широкими, особенности граничных точек зоны Бриллюэна сглаживаются (п. 3.1.5). В ферромагнитно упорядоченном кристалле или в случае наличия сильного ферромагнитного взаимодействия спиновый запрет на переходы снимается в горячих экситон-магнонных процессах. Интенсивность таких полос быстро нарастает с ростом температуры.
Приложенное к кристаллу внешнее магнитное поле достаточной напряжённости, в котором меняют направления магнитные моменты магнитных ионов кристалла, изменяет оптическое поглощение, связанное с экситон-магнонными процессами. В частности, магнитным полем можно погасить экси-тон-магнонное поглощение. Холодные экситон-магнонные полосы в антиферромагнетиках, образованные при участии нечётного числа магнонов, теряют интенсивность в магнитном поле из-за изменения угла между подрешётками и включения запрета по спину на такие переходы. Экситон-магнонные полосы поглощения, образованные при участии чётного числа магнонов в антиферромагнетике, включая горячие, усиливаются в поле, вызывающем неколлинеарность магнитных моментов подрешёток кристалла (пп. 3.1.2, 3.1.4). Горячие же магнонные спутники в ферромагнетике ослабевают в магнитном поле из-за роста расщепления основного состояния по проекции спина и уменьшения заселённости магнонных состояний (п.3.2.2).
Таким образом, проанализировав поведение сложных спектров оптического поглощения при изменении температуры, внешнего магнитного поля, одноосного давления, а также учтя особенности кристаллической решётки и магнитного порядка, удалось установить природу большинства полос поглощения в исследованных кристаллах. Подбирая модели для описания поведения полос поглощения, получены значения параметров, характеризующих межионные взаимодействия и определяющие особенности спектра элементао-ных возбуждений - экситонов, магнонов, фононов.
Установлено, что для интерпретации оптических спектров поглощения необходимо учитывать дисперсию экситонов, наличие которой приводит к усложнению структуры спектров — появлению дополнительных линий в спектре и перераспределению интенсивности поглощения. При этом величина дисперсии различна для состояний, происходящих из различных ионных уровней. Так, для состояний происходящих их 4Aig4Eg экситонная дисперсия значительна, и её необходимо учитывать при расшифровке тонкой структуры спектров поглощения. Дисперсия экситонов в группе полос, происходящих из 4T2g(4D) СОСТОЯНИЙ, мала и не оказывает существенного влияния на тонкую структуру спектра. Природа экситонной дисперсии - это взаимодействие ионов, находящихся в возбуждённом состоянии, т.е. она определяется эффективным обменным взаимодействием ионов, находящихся в возбуждённом состоянии. Т.о., обмен для состояний Ag Eg сильнее, чем для T2g( D). Впервые экспериментально обнаруженный широкий двухмагнонный спутник экситонной полосы, возгорающийся при скосе магнитных моментов подрешёток в магнитном поле, имеет особенности формы, определяемые как экситонной дисперсией, так и низкой размерностью магнитного порядка в кристалле. Двумерность магнитной структуры кристалла Rb2MnCl4 определила также возможность впервые наблюдать горячее магнонное повторение экситон-магнонной полосы.
Коллективные и локальные возбуждения в кристаллах, разбавленных немагнитными ионами
Её поляризация соответствует правилам отбора для одномагнонного спутника экситонной полосы. Пользуясь данными магнитных [134] и магнитооптических [136] измерений внутрислоевого обмена взаимодействия между ионами Mn2+, J/k = -5,6 К, можно, как и в случае спектра С группы Rb2MnCI4 вычислить коэффициент поглощения света, обусловленный парным экситон-магнонным процессом (33). Варианты получающегося экситон-магнонного поглощения, зависящие от параметров внутри- и межподрешёточного взаимодействия, приведены на рис. 30. Как видно из рис. 30, в случае пренебрежения взаимодействием между экситоном и магноном и малых значениях параметров резонансной передачи оптических возбуждений от иона к иону (и как следствие малой дисперсии экситонной зоны) полоса становится узкой и резко асимметричной. Вычисленная при таких допущениях с использованием вычислительных соотношений работы [43] форма полосы для случая квадратной антиферромагнитной решётки приведена на рис. 64 (кривая 0). Значение обменного интеграла при этом взято из [136], а величина поля анизотропии из [133]. Последняя практически не влияет на форму экситон-магнонной полосы, однако устраняет расходимость в выражении для формы полосы в центре зоны Бриллюэна. В антиферромагнитной фазе при спин-флоп переходе все полосы о спектра (включая появляющиеся при разбавлении магнитного кристалла) скачком смещаются на одну и ту же величину (рис. 61). При этом дополнительных полос, как в С группе, не появляется. Рассчитанная по (36) форма двухмагнонного спутника экситонной полосы при значении параметров К] = О и К2 = 0, которые использовались в вычислении формы полосы D, имеет вид, изображённый на рис. 65, где значение частоты v= 0 соответствует положению экситонной полосы Ер Из рис. 65 следует, что экситон-двухмагнонная полоса в D группе должна иметь вид острого пика в отличие от таковой в С группе. Рассчитанная форма полосы Di хорошо согласуется с наблюдаемой в случае пренебрежения экситон-магнонным взаимодействием. Но, согласно (32), интенсивность двухмагнонного спутника экситонной полосы пропорциональна величине экситон-магнонного взаимодействия.
Это объясняет отсутствие в D группе полос магнонных повторений экситон-магноннной полосы во флоп-фазе, когда появляется скос магнитных моментов подрешёток. Величина скачка энергии полос при спин-флоп переходе почти линейно спадает с уменьшением концентрации х, отражая уменьшение среднего обменного поля при разбавлении кристалла РО МпСЦ, и зануляется при х & 0,6. На вставке рис. 61 показана зависимость поля спин-флоп перехода от концентра- ции ионов марганца при температуре Т = 4,3 К, полученная по наблюдению полос D[ — Di в магнитном поле. Полученная отсюда оценка критической концентрации перехода кристалла из антиферромагнитного в неупорядоченное состояние хс = 0,6, хорошо согласуется с теоретическим значением для точки магнитного протекания в плоской квадратной решётке (0,59). Экистон-магнонная полоса Di в R MnCLj является уникальной по своим параметрам из-за малой дисперсии экси-тонной зоны. Замещение в магнитной решётке ионов марганца ионами кадмия нарушает трансляционную симметрию и исходный магнитный порядок. В этом случае в экситон-магнонном поглощении увеличивается вклад коротковолновых магнонов (ближний магнитный порядок) и полоса должна становиться более симметричной, а с уменьшением концентрации х терять интенсивность. Такое поведение наблюдается для Di. На то, что появляющиеся в разбавленных кристаллах полосы D/ И D/ связаны с процессом возбуждения, подобным Di указывает их положение. По энергии их максимумы лежат на 1/4 Ет и 1/2 Ет ниже, чем Di, где Ет - энергия магнона на границе зоны Бриллюэна. На такую величину уменьшается энергетический интервал между состояниями, расщеплёнными по проекции спина в локальном обменном поле, если источником поля считать ближайшее окружение пары ионов Мп2+ - Мп2+, а в ближайшем окружении один или два иона Мп соответственно замещены ионами Cd . Интегральное поглощение обменно связанной парой магнитных ионов пропорционально числу таких пар. Вероятности обнаружения ни одного, одного или двух ионов Cd2+ в ближайшем окружении пары Мп — Мп зависят от концентрации х. На рис. 66 приведены статистические оценки этих вероятностей, полученные статистическим моделированием. Аналитические зависимости вероятностей от х для этих трёх случаев соответственно х , 6х (1-х) и 15л; (1-х) и совпадают с кривыми рис. 66. Если считать, что полоса Di с разбавлением кристалла сохраняет свою форму, а полосы D/ И Dt имеют гауссову форму, то после разделения этих трёх полос их интегральные интенсивности примерно следуют зависимостям рис. 66. Вертикальными линиями на рис. 66 отмечено соотношение числа таких пар для концентраций, при которых проводились измерения.
