Введение к работе
Актуальность темы. Интерес, который проявляется сегодня к исследованиям физики твердого тела, в значительной степени обусловлен многообещающими достижениями в области квантовой электроники, и в первую очередь - лазерной и вычислительной техники. Миниатюризация элементов вычислительных устройств, увеличение их быстродействия и объема памяти стимулируют поиск новых способов записи информации. При этом непрерывно возрастает потребность в новых объектах с заданными и управляемыми свойствами в качестве элементов памяти. В этом смысле перспективными представляются исследования магнитоупорядоченных диэлектрических кристаллов - важный и успешно развивающийся раздел современной физики твердого тела. Широкие возможности применения магнитных материалов в вычислительной технике, технике дальней космической связи, а также значительный фундаментальный интерес эбуславливают актуальность и необходимость их всестороннего изучения.
Одним из наиболее эффективных методов изучения энергетической структуры магнитоупорядоченных кристаллических веществ їеляєтся низкотемпературная оптическая, спектроскопия. Спектральные исследования дают наиболее полную информацию об элементарных оптических возбуждениях в магнитоупорядоченных соединениях, з взаимодействии среды с электромагнитным излучением, о процессах, протекающих в кристалле вслед за актом поглощения им энергии электромагнитных волн и т.д.
Среди магнитоупорядоченных кристаллов особое место занижают антиферромагнитные (АФМ) диэлектрические соединения ионов іереходннх металлов, магнитные и оптические свойства которых збусловлены одними и теми же электронами незаполненной внутрен-гей 3 d -оболочки иона металла. Обменное взаимодействие неспа-}енных электронов магнитных ионов, магнитное поле анизотропии и щешнее магнитное поле формируют магнитную структуру АФМ диэлектрических кристаллов. Эта же магнитная структура предопределя->.т и конкретный вид возбужденных состояний антиферромагнетиков. і основе спинового возбуждения АФМ кристалла лежит изменение проекции спина магнитного иона без изменения его электронной ;онфигурации,при оптическом же возбуждении с необходимостью метется электронная конфигурация иона, сопровождаясь, как правило,
уменьшением величины спина. В кристалле спиновые возбуждения коллективизируются в магнон, а оптические-в экситон. Оба типа возбуждений, а также их комбинации определяют высокочастотные свойства АФМ кристаллов.
Как на магнитные, так и на спектральные свойства АФМ соединений существенным образом влияет пространственное распределение обменных взаимодействий в кристалле. Большая часть соединений характеризуется приблизительно одинаковыми энергиями обменных вза имодействий магнитного иона с ближайшими соседями вдоль трех раз личных направлений в пространстве. Такие АФМ кристаллы называют трехмерными (3-d) , их магнитные свойства в целом хорошо изучены. Достаточно полная, хотя и не исчерпывающая, информация имеется и о взаимодействии АФМ З-d с электромагнитными волнами, в частности, со светом.
В последние годы благодаря прогрессу техники роста кристал лов появилось новое семейство магнитоупорядоченных соединений с сильно выраженной пространственной анизотропией обменных взаимодействий - так называемые двумерные (2-& ) и одномерные (l-d ) кристаллы. Начавшиеся исследования АФМ l-d и Z-d обнаружили ряд новых, интересных, необычных для АФМ 3-d свойств, что стимулировало их всестороннее изучение. При исследовании АФМ соединений с пониженной размерностью структур главнее внимание уделялось изучению основного состояния и нижайших магнитных возбуждений - спиновых волн. Спектральные же исследования в оптическом диапазоне проводились в самых общих чертах - к настоящему времени в литературе нет никаких данных об особенностях формирования тонкой структуры оптических спектров люминесценции и поглощения света в низкоразмерных АФМ кристаллах. В то же время известно, что размерность структур соединений немагнитных ионов и молекул оказывает значительное влияние на особенности экситонного транспорта. В магнитоупорядоченных соединениях, где имеется возможность сравнительно^ просто воздействовать на многие свойства и характеристики этих систем (в том числе и на размерность движения экситонов) наложением магнитных полей, исследования спектральных свойств АФМ кристаллов с различной размерностью магнитных структур представляется перспективной задачей. Именно она и является целью настоящей диссертационной работы, подводящей итог исследованиям, проведенным автором.
Основные положения, выносимые на защиту;
-
Размерность структур АФм.диэлектриков оказывает существенное влияние на формирование оптических спектроЕ поглощения и люминесценции, а также на транспортные свойства магнитных экситонов. Это влияние проявляется в основном через спектральное распределение плотности магнснных состояний, зависящее от пространственной анизотропии обменных взаимодействий.
-
Оптическое возбуждение при определенных условиях индуцирует в АФі.і кристалле состояние с пространственно неоднородным распределением намагниченности подрешетки (оптическая переориентация спинов ионов). В свою очередь оптическая переориентация порождает особенности в экситонном и окситон-магноннсм спектрах поглощения света и люминесценции.
-
Внешнее магнитное поле сказывает существенное влияние на спектральные свойства АФМ кристаллов, понижая магнитную симметрию и нарушая коллинеарность магнитной структуры АФіа диэлектриков, оно, помимо общей перестройки оптических спектров погло-цения и люминесценции, создает условия для проявления деформирующих свойств магнитных экситонов. Эти свойства в различной :тепени обнаруживаются в оптических спектрах АФя соединений в їависимости от размерности их магнитных структур.
4. Тонкая структура оптических спектров поглощения корре-
шрует с параметрами порядка АФМ систем. В значительной мере
:вязь с параметрами порядка прослеживается и в спектрах собст-
іенной люминесценции свободных экситонов. Собственное свечение
.втолокализованных экситонов в большей степени отражает явления
ілижнего магнитного порядка, в первую очередь это относится к
;йзкоразмерным магнитным структурам, ііримесная люминесценция
рактически не чувствительна к явлениям дальнего магнитного по-
едка.
Научная и практическая значимость работы. Данная диссер-ационная работа имеет характер фундаментального исследования; е основное научное значение - расширение представлений о спек-ральных свойствах магнитных экситонов, свойствах, которые мо-ут в той или иной степени обнаруживаться в магнитоупорядочен-ых соединениях в зависимости от размерности их структур. Неко-рые положения данной диссертационной работы заложили фунда-знт для формулировки основных принципов формирования оптиче-шх спектров люминесценции и поглощения света кШ диэлектрика-л (прежде всего, это относится к результатам, приведенным в
главе І). По мнению автора, теория магнитных экситонов, изложенная в нескольких монографиях десятилетней давности, нуждается в модернизации - с учетом полученных за истекшее время опытных данных необходимо расширить, а порой и пересмотреть некоторые положения и представления. Экспериментальные результаты, изложенные в данной работе, касающиеся спектральных свойств низкоразмерных магнитоупорядоченных структур, а также эффекта оптической переориентации спинов ионов АФМ кристаллов, связанные с ними новые идеи и представления должны быть учтены в современной теории магнитных экситонов.
Подчеркивая приоритет фундаментальной направленности данной диссертационной работы, было бы неверным обойти вниманием ее прикладные аспекты. Низкотемпературная оптическая спектроскопия АЫ кристаллов дает информацию не только об элементарных оптических возбуждениях в веществе, о взаимодействии среды с электромагнитным излучением; с ее помощью можно изучать и основное состояние магнитоупорядоченной системы, спектр спиновых волн и т.д. В какой-то мере материал, изложенный в Приложении к данной диссертационной работе, демонстрирует небольшую часть тех широких возможностей, которыми обладает оптическая спектроскопия магнетиков в изучении многих микро- и макроскопических характеристик магнитоупорядоченных соединений. В свою очередь информация об этих характеристиках является необходимой основой для технического применения АФМ кристаллических соединений.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из Введения четырех глав, Заключения, Приложения в двух главах и Литературы Общий объем диссертации - 347 страниц, из которых 61 страницу составляют рисунки и таблицы, 35 - Приложение, 28 - список используемой литературы, насчитывающий 264 наименования. Количество рисунков - 89, таблиц - 3.