Введение к работе
. \ктуалыюсть темы исследования.
Основным механизмом спин-решеточной релаксации (СРР) в диэлектрических кристаллах является механизм Кронига - Ван Флека, обусловленный модуляцией электростатического кристаллического поля на парамагнитных ионах колебаниями решетки. Рассчитанные в рамках этого механизма скорости релаксации парамагнитных систем обладают разнообразными зависимостями от температуры, но при температурах ниже 4 К эта зависимость близка к линейной (точнее, Тг1 ~ сШ(Йшо/2кТ), где юо - частота ЭПР). Кроме того, при низких температурах теория предсказывает сильную зависимость скорости релаксации от внешнего магнитного поля ( ~Н4 для крамерсовых систем). Эти предсказания расходились с результатами ранних измерений парамагнитной релаксации в квасцах, выполненных в Лейдене в 30-х годах, и еще Ван Флек в своей основополагающей работе по теории СРР [1] отметил, что одной из возможных причин противоречия могут быть дефекты кристаллической структуры. В реальных кристаллах всегда имеются такие дефекты, и наблюдаемые в этих кристаллах явления могут заметно отличаться от результатов расчетов, выполненных в предположении об идеальной кристаллической решетке.
После открытия ЭПР началось исследование примесных парамагнитных ионов, центров окраски с очень малыми концентрациями. Эти центры сами являются точечными дефектами, и установление их структуры методами ЭПР стало важной составной частью физики реальных кристаллов.
Теории СРР Валлера, Ван Флека основаны на представлении об идеальном кристалле и его колебаниях. К настоящему времени накопилось большое число фактов, не укладывающихся з рамки этой концепции, причем это касается не только полевой и концентрационной зависимости времен СРР, но и температурной зависимости при низких температурах. Нелинейная зависимость скоростей электронной СРР при низких температурах, наблюдавшаяся в ряде работ для монокристаллов, является скорее правилом, чем исключением, в аморфных веществах. Этот факт наводит на мысль о возможном сходстве механизмов релаксации в кристаллических и аморфных твердых телах. В связи с этим естественно возникает проблема сравнительного анализа различных релаксационных механизмов в кристаллах и стеклах, экспериментальной проверки различных гипотез и, при необходимости, уточнения существующих методов расчета скоростей релаксации. Решению этих задач и посвящена настоящая диссертация.
Объекты исследования.
При выборе объектов исследования мы руководствовались следующими соображениями. Известно, что характерное для стекол поведение веществ обусловлено локальным нарушением порядка. Естественно было выбрать для исследования кристалл с явно выраженными признаками структурного разупорядочения, и одним из таких кристаллов является гранат. В работе [2] исследовались возможные виды структурной неупорядоченности кристаллов гранатов с примесными редкоземельными элементами и было показано, что в кристаллах, синтезированных при высокой температуре из расплава, могут образовываться дополнительные центры примеси. Часть редкоземельных ионов входит на место А13+, создавая тем самым внутренние напряжения, которые могут ухудшить качество кристалла. Мы располагали для исследований образцами иттрий-алюминиевого граната с примесью ионов Nd3+ с различными концентрациями, выращенными в разных условиях.
В качестве второго объекта исследования мы выбрали кварцевое стекло, в котором релаксация при низких температурах протекает так же, как и в кристаллах кварца [3]. Для описания выполненных ранее экспериментов в литературе обсуждался целый ряд различных механизмов - выделенные по частоте локализованные колебания, сильно связанные со спинами, модель туннелирующих осцилляторов и ионов, движущихся в прямоугольной яме. Модель туннелирующих осцилляторов имеет много общего с моделью двухуровневых систем, широко используемой сейчас в физике аморфных веществ. Недавно была разработана модель мягких атомных потенциалов, в которой двухуровневые системы и локализованные осцилляторы являются двумя проявлениями квазилокальных ангармонических осцилляторов в разных температурных областях [4]. Изучение СРР в кварце в широком температурном диапазоне представляется поэтому полезным и для дальнейшего уточнения механизмов релаксации в самом этом веществе, и для сопоставления релаксационных процессов в стеклах и кристаллах.
Цель работы. —Экспериментальное исследование СРР ионов Nd3+ в иттрий-алюминиевом
гранате Y3AI5O12 (YAG), в образцах, выращенных в разных условиях, в
широком интервале температур при различных частотах резонанса. —Экспериментальное исследование СРР центров облучения в кварцевом стекле
в широком диапазоне температур и при разных частотах. —Интерпретация полученных результатов, сопоставление их с литературными
данными, сравнительный анализ механизмов СРР в кристаллах и стеклах.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем: 1 .При изучении СРР ионов Nd3+ в YAG впервые экспериментально обнаружена сильная зависимость двухступенчатого процесса типа резонансной флюоресценции от внешнего магнитного поля - скорость релаксации возрастает с ростом поля. Этот эффект удается интерпретировать как специфическое проявление крамерсова вырождения возбужденного уровня иона Nd3+, нарушения симметрии кристаллического поля дефектами решетки и преобладания в спин-решеточном взаимодействии деформаций кристалла определенного типа.
2.Впервые методом импульсного насыщения изучена СРР ионов Мо3+ в YAG. Установлено, что ионы Мо3+ могут играть роль быстро релаксирующих центров, посредством которых в области низких температур происходит СРР ионов Nd3+в YAG.
З.Изучена температурная зависимость скорости релаксации Еі'-центров в кварцевом стекле на двух частотах в широком диапазоне температур (1.5-300 К). Экспериментальные данные интерпретируются на основе механизмов взаимодействия спинов с двухуровневыми системами с энергией возбуждения ~б и 24 см-1.
Практическая значимость работы состоит в том, что получены новые экспериментальные результаты, которые могут быть полезными для развития представлений о СРР парамагнитных центров в кристаллах и стеклах и о проявлении дефектной структуры кристаллов в СРР.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Итоговых научных конференциях Казанского университета (Казань, 1996-1998 гг.); семинаре "Modern development of EPR" (Казань, 1996г.); Международныхконгрессах AMPERE (Caterbury, UK, 1996г.; Berlin, Germany, 1998г.); VII Международном семинаре по физике ферроэластиков (Казань, 1997г.).
Публикации: Основное содержание работы отражено в семи публикациях.
