Исследование низкоразмерных магнитных структур методом ЭПР Еремина, Рушана Михайловна

Введение к работе

Актуальность темы.

Низкоразмерные магнетики привлекают повышенное внимание из-за яркого проявления квантовых эффектов при достаточно высоких температурах. В идеальной одномерной гейзенберговской цепочке при любом параметре изотропного обменного взаимодействия между спинами, как следует из расчетов Бете, магнитный фазовый переход невозможен. В реальных низкоразмерных магнетиках спиновые цепочки не являются изолированными. Всегда имеются слабые межцепочечные взаимодействия. При температурах, сравнимых с параметрами этих межцепочечных спин-спиновых взаимодействий, системы становятся двухмерными или трехмерными, что приводит к подавлению флуктуаций и соответственно к установлению дальнего магнитного порядка. В низкоразмерных системах фазовые переходы имеют ряд особенностей. Какое упорядочение будет наблюдаться при понижении температуры, зависит от величин спин-спиновых и спин - фононных взаимодействий как внутри, так и между цепочками. Известно, что в CuGeO₃ при T=14.3 K цепочки спинов димеризуются [1]. В квазиодномерном магнетике LiCuVO₄ под действием магнитного поля выше 6.07 Т наблюдается сложная спин-модулированная структура [2]. В NaCu₂O₂ статическая спиновая структура сосуществует со спиральной модуляцией магнитных моментов меди [3]. В спин-димерных низкоразмерных системах наблюдаются квантовые явления, связанные с возбужденными триплетными состояниями [4]. Наблюдалось уникальное явление - бозе-эйнштейновская конденсация магнонов [5] в соединении TlCuCl3 [6]. В ортоферритах, ортохромитах [7] наблюдается индуцированная магнитным полем электрическая поляризация в области антиферомагнитного упорядочения редкоземельных ионов. Для понимания всех этих сложных явлений и построения последующих теорий необычных состояний веществ необходимы целенаправленные, систематические исследования по выяснению деталей анизотропных спин-спиновых взаимодействий в цепочках, а также межцепочечных взаимодействий. Метод магнитного резонанса прекрасно подходит для этой цели. Температуры фазовых переходов в низкоразмерных системах достаточно низкие, что позволяет наблюдать обменно суженный сигнал ЭПР в широкой области температур. Успехи в технологии выращивания монокристаллов хорошего качества создали реальные предпосылки для исследований анизотропии спектров магнитного резонанса при различных ориентациях образцов, что после соответствующей обработки позволяет получить уникальную информацию о различных параметрах спин-спиновых взаимодействий в этих соединениях.

Флуктуации, свойственные низкоразмерным системам, нередко сопровождаются появлением фазовых расслоений, существенным образом влияющих на транспортные свойства этих материалов. В этом отношении особенно привлекательны манганиты [8,9]. При определенных концентрациях примесных ионов в них реализуется весьма интересная ситуация - явление электронного фазового расслоения, например в кристаллах манганитов состава Euo₇PbosMnO₃ и Lao₇PbosMnO₃ [10, 11]. В последние годы с участием автора данной диссертации было установлено, что присутствие магнитных кластеров в образце можно обнаружить методом магнитного резонанса. Эффективный g- фактор ферромагнитных кластеров в общем случае отличается от двойки и, таким образом, эти линии не замаскированы интенсивной линией ЭПР, обусловленной обменно связанной системой спинов в парафазе.

Представленная диссертация посвящена исследованию фазового расслоения в манганитах La_1-xM_xMnO₃ (M=Ca, Ba, Sr) методами магнитного резонанса и магнитной восприимчивости, оксидов с орбитальным упорядочением Sr₂VO₄ и LaTiO₃, магнитной восприимчивости и ЭПР низкоразмерных магнетиков: LiCuVO₄, CuGeO₃, Na₁Z₃V₂O₅, NaV₂O₅, CuSb₂O₆, KCuF₃, CuTe₂O₅. Полученные результаты позволили построить модели анизотропных обменных связей, оценить величины изотропного и анизотропного обменных взаимодействий в этих веществах, а также выявить новые особенности структурных и фазовых переходов в низкоразмерных системах.

Основной целью данной работы являлось развитие методов магнитного резонанса для изучения механизмов и вида анизотропных обменных взаимодействий, определение параметров этих взаимодействий, дальнейшее развитие на основе экспериментальных данных микроскопических моделей обмена в низкоразмерных соединениях переходных металлов. В этом плане наибольший интерес представляют соединения с ярко выраженными особенностями магнитных свойств: квазиодномерные магнетики LiCuVO₄, CuGeO₃, CuSb₂O₆, KCuF₃, CuTe₂O₅, системы с переменной валентностью Na_1/3V₂O₅, NaV₂O₅ и орбитальным упорядочением LaTiO₃ и Sr₂VO₄, кристаллы La_1-xM_xMnO₃ (M=Ba, Sr, Ca) с эффектами фазового расслоения.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующих результатах:

Предложена модель локализации электронов в соединении в - Naiz₃V₂O₅ в диэлектрическом состоянии, в котором шесть последовательных позиций Vi заняты электронами, формирующими зигзагообразную цепочку V1.

Предложена модель обменных связей в CuTe₂O₅ в виде двух типов магнитно- неэквивалентных квазиодномерных цепочек спинов с альтернированным обменным взаимодействием внутри цепочек, определены параметры симметричного изотропного обмена между спинами меди в цепочке и между соседними цепочками.

Впервые по угловым и полевым зависимостям положения и ширины линии ЭПР в соединениях LiCuVO4, CuGeOs, №1^05, NaV2O5, CuSb2O6, KCuFs, CuTe2O5 определены компоненты тензора гиромагнитных отношений и параметры анизотропных обменных взаимодействий между спинами ионов меди в цепочке.

Получены выражения для второго и четвертого моментов ширины линии ЭПР, обусловленной симметричными анизотропными обменными взаимодействиями в альтернированной цепочке.

Показано, что аномально большая ширина линии ЭПР в KCuF₃ может быть связана с динамическим взаимодействием Дзялошинского - Мория.

Впервые определена область существования ферромагнитных кластеров в парамагнитной области на фазовой диаграмме Т-х (температура- концентрация) для

монокристаллов Lai_-xBa_xMnO₃.

Определены параметры магнитной анизотропии ферромагнитных кластеров в монокристаллах La_1-xM_xMnO₃ (M=Ba,Sr), равные И_А1«2500Э; 2400Э и И_А2«-700Э; - 400Э, соответственно.

Впервые обнаружено скачкообразное уменьшение ширины линии электронного парамагнитного резонанса в монокристаллах La1_-xCa_xMnO₃ (x=0.18; 0.2) при температурах структурного фазового перехода из орторомбической фазы в

3+

псевдокубическую, обязанное изменению локального окружения ионов Mn .

Установлено, что в монокристаллах La1_-xCa_xMnO₃ происходит резкое уменьшение ширины линии ЭПР на 180Э при изменении концентрации ионов кальция от 20% до 22%, что сопровождается изменением проводящих свойств, т.е. переходом из ферромагнитного изолятора в фазу ферромагнитного металла.

.3+. 4+

Предложены модели упорядочения орбиталей ионов Ti в LaTiO₃ и V в Sr₂VO₄, позволившие объяснить температурные зависимости магнитной восприимчивости, а также литературные данные о магнитных и структурных свойствах этих соединений. Научная и практическая значимость работы.

Полученные экспериментальные результаты и их теоретическое описание являются новыми. Они вносят существенный вклад в понимание микроскопической картины обменных взаимодействий в квазиодномерных соединениях и могут рассматриваться как перспективное направление исследований в магнетизме.

Предложенная эмпирическая формула температурной зависимости ширины линии ЭПР в квазиодномерных магнетиках может служить хорошим ориентиром для будущих теорий спиновой динамики квазиодномерных спиновых систем. Полученные методом магнитного резонанса экспериментальные данные позволили построить фазовую диаграмму (температура - концентрация х) области существования ферромагнитных кластеров в парамагнитной области для соединения La^_xBa_xMnO₃ и определить параметры их магнитной анизотропии. Предложенные модели орбитального упорядочения в LaTiO₃ и Sr₂VO₄ позволили объяснить результаты экспериментальных исследований данных соединений как наших, так и опубликованных в литературе.

Развита и обобщена методика определения параметров анизотропных обменных взаимодействий по угловым зависимостям резонансного поля и ширины линии ЭПР при вращении кристаллов в различных плоскостях относительно направлений внешнего магнитного поля.

Достоверность результатов работы обеспечена комплексным характером выполненных экспериментальных исследований, их многократной повторяемостью, непротиворечивостью результатов, полученных различными методами, а также совпадением результатов экспериментов с опубликованными в литературе на подобных соединениях.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. 1. Результаты экспериментального исследования методом ЭПР монокристаллов CuGeO₃, LiCuVO₄, CuSb₂O₆, NaV₂O₅, Na₁Z₃V₂O₆ и CuTe₂O₅, позволившие установить, что анизотропное симметричное обменное взаимодействие превалирует над диполь - дипольным взаимодействием между первыми соседями в цепочке спинов.

   2. Метод определения параметров анизотропных спин- спиновых взаимодействий в соединениях переходных металлов, базирующийся на исследовании угловых зависимостей положения и ширины линии ЭПР.

   3. Экспериментальное исследование и теоретическое обоснование проявлений динамического спин-спинового взаимодействия антисимметричного типа (типа Дзялошинского-Мории) в аномальном уширении линии ЭПР в кристалле KCuF₃.

   4. Обнаружение и экспериментальное изучение влияния квантовых структурно- динамических флуктуаций в кристаллах NaV₂O₅ и CuGeO₃, проявляющихся в значительном изменении относительных параметров анизотропного обмена в области температур много выше температур упорядочения.

   5. Теоретические модели упорядочения состояний 3d¹ электрона V⁴+ в Sr₂VO₄ и Ti³+ в LaTiO₃, учитывающие действие кристаллического поля, суперобменного и спин-орбитального взаимодействий, позволяющие описать температурные зависимости магнитной восприимчивости в этих соединениях. Модель упорядочения орбиталей Ti³+ в LaTiO₃, в отличие от Sr₂VO₄, определяется действием низкосимметричной компоненты кристаллического поля, которая полностью снимает орбитальное вырождение по орбитальным степеням свободы.

   6. Построение фазовой диаграммы лантан - бариевых манганитов и установление факта фазового расслоения по данным ЭПР в парамагнитном состоянии при 0.11-xBa_xMnO₃, и при 0.125-xSr_xMnO₃.

   7. Обнаружение проявления структурных фазовых переходов в монокристаллах Lai_-xCa_xMnO₃ (x=0.18; 0.2) как эффекта скачкообразного уменьшения ширины линии ЭПР вблизи температур фазовых переходов (260 и 240К) и теоретическое описание этого эффекта.

   8. Обнаружение эффекта ступенчатого уменьшения ширины линии ЭПР в монокристаллах Lai__xCa_xMnO₃ при увеличении концентрации ионов Ca от 20 до 22%, что объясняется изменением характера проводимости (переход изолятор- металл). Личный вклад автора. Автору принадлежат выбор темы и методов исследования. Вклад автора диссертации по всем результатам, указанным выше, является доминирующим в постановке научных задач, в анализе и обобщении полученных научных результатов и написании статей. Большинство экспериментальных исследований магнитных свойств CuGeO₃, LiCuVO₄, CuSb₂O₆, NaV₂O₅, Na₁Z₃V₂O₆,

   CuTe₂O₅ и Lai_-xM_xMnO₃ (M=Ba, Ca, Sr) методами магнитного резонанса, их теоретическое описание и интерпретация принадлежат автору диссертации. Часть экспериментов по исследованию La_1-xSr_xMnO₃ проведены В .А.Иваньшиным [А2, А8].

   Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант 06-02-17401-а (рук. Р.М. Еремина) и госконтракта ФЦП 02.740.11.0103.

   Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

   Specialized Colloque AMPERE, Stuttgart, Germany, Jule 22-26 2001; 30^th Congress Ampere on Magnetic Resonance and Related Phenomena, Lisbon, Portugal, 23-28 July 2002; XVIII международная школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники», 24-28 июня Москва 2002; Nanoscale properties of condensed matter probed by resonance phenomena Kazan 15-19 August 2004; Euromar 2005 Magnetic Resonance for the Future, Veldhoven, The Netherlands, 3-8 July 2005; Workshop: Correlated Electrons and Glassy Matter July 16-17, 2005, Augsburg, Germany; International conference «Fundamental problems of high temperature superconductivity», 18-22 Октябрь 2004, 9-13 октября 2006 г. Звенигород - Москва; «Упорядочение в металлах и сплавах» 9-й международный симпозиум 12 -16 сентября 2006 г. Ростов - на - Дону - Пос.Лоо; International Workshop on "Exotic States in Materials with Strongly Correlated Electrons" ESM'07 (Sinaia, Romania, September, 2007 г.); XXXII Международная зимняя школа физиков-теоретиков Коуровка-XXXII (Екатеринбург, февраль 2008 г.); Европейский конгресс по магнитному резонансу EUROMAR 2008 (Санкт-Петербург, июль 2008); «Modern development of magnetic resonance» Kazan, September 24 - 29, 2007; Actual Problems of Magnetic Resonance and its application,

   Kazan, 31 October-3 November 2001, 2005, 2006, 2007, 2009, 2010, p. 23-26I. 2010 pp.25-28; Moscow International Symposium on Magnetism - 20-25 June 2008. - Moscow; XXI Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах», 28 июня - 4 июля 2009 года; International Conference on Nanoscale Magnetism ICNM-2010, September 28 - October 2, 2010, Istanbul, Turkey; Euro-Asian Symposium «Trends in MAGnetism» Nanospintronics EASTMAG, Krasnoyarsk, Russia August 24-27, 2004 and June 28 - July 2, 2010, Ekaterinburg, Russia.

   Основные результаты работы изложены в 17 научных статьях, опубликованных в рецензируемых журналах, в том числе в 15 журналах, включенных в перечень ВАК, а также в материалах вышеперечисленных конференций.

   Похожие диссертации на Исследование низкоразмерных магнитных структур методом ЭПР

   

   Исследование методом ЭПР магнитных свойств комплексов, содержащих ионы Co2+ , в монокристаллах двойных сульфатов и селенатовЖеглов Евгений Петрович

   

   Исследование примесных редкоземельных ионов в кристаллах типа перовскита и эльпасолита методами ЭПР, ДЭЯР и оптической спектроскопииЛатыпов Владислав Альбертович

   Исследование локальной магнитной структуры кобальт-содержащих нанокомпозитов методом ЯМР Co-59Шмырева, Анна Анатольевна

   ЭПР-исследование магнитных возмущений на поверхности ВТСП-кристаллов при температурах выше сверхпроводящего переходаСалахутдинов, Линар Фидаилович

   

   Формирование и исследование магнитных тонкопленочных структур с заданными высокочастотными свойствамиСедова Марина Владимировна

   

   Магнитооптическое исследование низкоразмерных магнитных структурАбросимова Нина Михайловна

   

   Магнитооптическое исследование приповерхностной микромагнитной структуры аморфных лент и микропроволок Комарова Марина Александровна

   

   Исследование особенностей магнитных свойств и структуры пленок неупорядоченных сплавов Ni-Fe-P, Ni-Fe-CПрокофьев Денис Евгеньевич

   

   Исследование магнитных свойств и приповерхностной микромагнитной структуры Fe- и Co-обогащенных аморфных лент и микропроволок.Мельников Виталий Александрович

   

   Исследование ферритов-шпинелей с фрустрированной магнитной структурой Антошина Любовь Георгиевна