Введение к работе
Актуальность темы. Фундаментальными характеристиками, которые определяют свойства магнетиков, являются а) пространственная размерность, б) симметрия магнитных взаимодействий. В зависимости от магнитной системы и изучаемых свойств доминирующей является или характеристика а) или - б). Теоретические исследования систем с различной пространственной размерностью и различной симметрией магнитных взаимодействий позволяют выделить модели со свойствами, нехарактерными или слабовыраженными в традиционно исследуемых трехмерных и высокосимметричных магнетиках.
Важность и практическая ценность таких исследований определяется тем, что в настоящее время синтезированы магнетики с широким спектром величин магнитных взаимодействий. Среди них выделим, во-первых, так называемые "низкоразмерные (почти одномерные и двумерные) магнитные системы, а, во-вторых, низкосимметричные и сильноанизотропные магнетики.
Известно, что в низкоразмерных магнетиках сильная пространственная анизотропия обменных взаимодействий [i J обуславливает целый ряд свойств: магнитных, тепловых и др., которые в трехмерных магнетиках отсутствуют или проявляются значительно слабее.
К ним можно отнести специфику установления дальнего магнитного порядка [z] ; значительную анизотропию энергетического спектра магнонов в пространстве квазиимпульсов; увеличение амплитуды нулевых колебаний; заметную зависимость температуры магнитного упорядочения от внешнего магнитного поля и др.
К началу наших исследований менее изученными были высокочастотные свойства низкоразмерных магнетиков в упорядоченном состоянии, хотя именно в этом направлении наиболее вероятно ожидать применения этих еєщєств в практических целях. Детальное теоретическое исследование особенностей спектров поглощения кнзкоразмерных магнетиков позволяет получить важную информацию о величинах магнитных взаимодействий, необходимую при разработке новых низкотемпературных СВЧ-устройств.
В области низких температур Т« Тс ( Тс _ температура -'
I-
упорядочения магнетика), где применимо спин-волновое приближение, важнейшей функцией, определяющей свойства магнетиков является плотность состояний магнонов й С&) В трехмерных магнетиках плотность состояний велика на границе зоны Бриллвэиа при энергиях порядка обменной энергии if . В кристаллах с пониженной размерностью плотность состояний магнонов велика и имеет особенности не только при энергиях f , но и при энергиях порядка слабого межцепочечного или ыежплоскостного обменного взаимодействия У Эта особенность ЯС&У проявляется во многих свойствах низкоразмерных магнетиков. В частности, она определяет отличие температурной зависимости параметров однородного магнитного резонанса в таких системах в сравнении с трехмерными (см. ниже). Этим не ограничивается влияние пониженной размерности на спектры поглощения. Наиболее интересным является изучение такого поглощения, при котором непосредственно выявляются особенности frC&) Как показано в диссертации, такие возможности предоставляет изучение нерезонансного поглощения 34 энергии (в частности, в процессах с участием двух магнонов).
Симметрия и величина магнитной анизотропии наиболее заметно проявляются при изучении ориентационных явлений в магнетиках при изменении температуры и магнитного поля.
В теоретическом плане хороко разработаны методы исследования анизотропных систем, когда анизотропия мала, а симметрия анизотропных взаимодействий достаточно велика и спин велик. Однако существует множество реальных магнетиков с величиной спина «- 4. , в которых либо анизотропия р> сравнима с обменом 'ifo и из-за одноузельного происхождения ее необходимо учесть точно, либо симметрия анизотропных взаимодействий очень низкая (ниже ромбической). Их экспериментальное изучение ставит перед теорией проблему как построения моделей для описания взаимодействий в этих системах, так и решения задач при изменении внутренних и внешних параметров системы в широких пределах.
В магнетиках увеличение однотонной анизотропии ведет к возможности проявления сугубо квантовых свойств: сокращений длины намагниченности в легкоосных магнетиках [зJ , возможности исчезновения упорядочения (критерий Мория) [43 и изменения формы фазовой границы в легкоплоскостных магнетиках [5 J . Такие особенности исследованы преимущественно для систем со спином
$ = d_H температуреТ^ 0. С целью исследования новых квантовых особенностей представляет интерес изучение подобных систем с произвольной величиной спина и произвольным отношением анизотропии к обмену при наличии температуры и магнитного поля.
Что касается низкосимметричных систем, то их изучение начало развиваться лишь в последнее время, в связи с исследованием магнетиков со сложными анизотропными взаимодействиями. Наличие низкой симметрии взаимодействий может привести к появлению в их свойствах особенностей, не имеющих места при более высокосимметричных типах взаимодействий. К ним относится и температурная зависимость ориентации легкой оси или тензора магнитной восприимчивости в отсутствие магнитного поля, теоретическая интерпретация которой дана в работе.
Приведенные выше сообращения относительно магнетиков с сильной пространственной и магнитной анизотропией взаимодействий и обуславливают актуальность выбранной темы.
Целью работы является решение следующих задач.
-
Всестороннее теоретическое исследование особенностей коэффициентов поглощения энергии высокочастотного поля в квазиодномерных и - двумерных гейзенберговских ферро- и антиферромагнетиках (ШЫ и АФМ), обусловленных аномалиями плотности состояний магнонов в низкоэнергетической части спектра. Установление зависимостей между параметрами спектра поглощения и константами, характеризующими гамильтониан магнитных взаимодействий кристалла.
-
Изучение воздействия величины одноконной анизотропии и спина на ориентационные фазовые переходы в легкоосных и легкоплоскостных Ш и кШ во внешнем магнитном поле. Выяснение роли моноклинной компоненты магнитной анизотропии парамагнетиков и упорядоченных магнетиков, в эффектах температурного вращения эллипсоида восприимчивости к оси легкого намагничивания.
-
Сопоставление полученных теоретических зависимостей с существующими экспериментальными результатами и проведение экспериментальных исследований с целью обнаружения предсказанных эффектов. і
Научная новизна диссертационной работы определяется впервые полученными результатами, основные из которых выносятся на защиту.
-
Для низкоразмерных ФМ и АФМ установлено теоретически, а в случае АФМ и подтверждено экспериментально, что спектр линейного поглощения энергии высокочастотного поля наряду с линиями обычного однородного резонанса содерзкит интенсивные линии нерезонансного, в частности, двухмагнонного поглощения, интенсивность которых значительно выше, чем в спектрах трехмерных магнетиков.
-
Изучена форма полосы двухмагнонного поглощения энергии, форыируемаяо([)в низкоэнергетической части спектра,для квазиодномерных и квазидвумерных одноосных ФЫ в постоянном и высокочастотном магнитных полях, перпендикулярных выделенной оси. В процессах с участием большого числа магнонов исследовано взаимное влияние высокой плотности состояний в низко- и высокочастотной областях спектра на коэффициент поглощения поперечного Ш поля
в квазиодномерном ФМ.
-
В коллинеарной фазе ромбического АФМ изучены четыре типа процессов двухмагнонного поглощения, определяемые различными комбинациями двух магнонов из двух ветвей спектра. Исследованы их зависимости от частоты, температуры и поля как в низкоэнергетической, так и в высокоэнергетической областях спектра. В этой же фазе установлено, что температурная зависимость частот АФМР в низкоразыерных АФМ пропорциональна подрешеточной намагниченно сти.
-
Проведен последовательный анализ высокочастотных свойств ромбического АФМ в фазе с опрокинутыми магнитными под-решетками. Показано, что наряду с прямыми процессами распада фотона на два магнона, в рассматриваемой фазе важную роль играют процессы косвенного взаимодействия поля с магнонами, обусловленные трехмагнонным взаимодействиеы. Установлено теоретически и подтверждено экспериментально, что эти взаимодействия в квазиодномерных АФМ формируют (через поправки к спектру) аномальную полевую зависимость оптической частоты АФМР.
-
Выявлены возможности нерезонансного поглощения как нового метода исследования низкоразмерных ферро- и антиферромагнетиков, что позволяет получить информацию об основных константах магнитных взаимодействий.
-
Проведены исследования уравнения фазовой кривой в лег-
коосных (ЛО) и легкоплоскостных (ЛП) ФМ в классическом и квантовом случаях. Найдены критические поля переходов из угловой в парамагнитную фазу, число которых растет с ростом величины анизотропии и спина.
Для ЛП магнетиков с целочисленным спином установлено, что упорядочение в магнетике отсутствует, если анизотропия
7. Установлено, что в ЛП АФМ в поле, направленном в лег
кой плоскости, область угловой фазы для целых спинов с ростом
ji стягивается к началу координат и исчезает, если/3 > f3ief>i а при полуцелых значениях спина область угловой фазы стремится к некоторой предельной области.
-
Выявлена роль флуктуации на фазовую диаграмму ЛП магнетиков. Найдено перенормированное значение критической анизотропии jS^ . Получены низкотемпературные зависимости критических полей. Показано, что с понижением пространственной размерности область угловой фазы уменьшается.
-
Вычислены частоты иагнитных возбуждений двухосного ферромагнетика ($= 4-) с произвольным отношением анизотропии к обмену. Из сравнения полевых зависимостей резонансных частот рассчитанных и экспериментальных определены константы магнитных взаимодействий квазиодномерного антиферромагнетикаТМЛ'^ С .
10. Изучена температурная зависимость положения главных
осей тензора восприимчивости з моноклинных парамагнетиках и
указаны условия, при которых эффект вращения будет наиболее
значителен.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что полученные результаты существенно расширяют диапазон представлений о высокочастотных и термодинамических свойствах низкоразмерных и сильноанизотропных магнетиков.
Установленные в работе соотношения мезду особенностями интенсивного нерезонансного поглощения энергии и параметрами низкоразмерного магнетика позволяют в эксперименте восстановить юс значение с спектроскопической точностью. Полученные в работе результаты стимулировали изучение высокочастотных свойств низкоразмерных магнетиков CsWn С?іZНг.0, Batyh~fy ,77^4/VC и др. Такие свойства нерезонансного поглощения как линейность по подводимой мощности, сильная зависимость его от частоты, -
поля, температуры, резкое изменение его величины при переходе из одной фазы в другую могут быть использованы при создании различных СВЧ-устройств.
Развитый в работе метод вывода самосогласованных уравнений может быть использован при исследовании фазовых диаграмм в более сложных моделях. В частности, учет ромбической анизотропии произвольной величины должен привести к новым квантовым особенностям в поведении фазовых кривых. Несомненный интерес представляет экспериментальное обнаружение, предсказанных в работе явлений: нарушение связности областей угловой фазы для сильноанизотропных ФМ и АФМ с 0 > J_ , резкое изменение температуры упорядочения при изменении анизотропии в области критического значения и др.
Апробация работы. Результаты исследований изложены в диссертации, докладывались на следующих конференциях, совещаниях, семинарах:
Всесоюзные конференции по физике магнитных явлений - Баку, 1975 г.; Донецк, 1977 г.; Харьков, 1979 г.; Пермь, 1981 г.; Донецк, 1985 г.; Калинин, 1988 г.
Всесоюзные совещания по физике низких температур - Киев, 1974 г.; Шнек, 1976 г.; Москва, 1979 г.
Междунарокные конференции по магнетизму - Москва, 1973 г.; Киото, 1982 г.; Парик, 1988 г.
15-я Международная конференция по физике низких температур, Гренобль, 1978 г.
Семинаре по магнитному резонансу и спиновым волнам, Ленинград - 1975 г., 1976 г., 1978 г., 1982 г., 1986 г., 1988 г.
Всесоюзный семинар "Магнитные фазовые переходы и критические явления", Махачкала, 1984 г.
Всесоюзный симпозиум "Неоднородные электронные состояния", Новосибирск, 1987.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 статьи, список которых приведен в конце автореферата.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, трех приложений и списка цитируемой литературы. Полный объем работы составляет 317 страниц, в том числе 49 рисунков, одна таблица, библиография содержит 206 наименований. 6