Введение к работе
Актуальность темы. Оксиды на основе марганца являются ярким примером систем с сильными электронными корреляциями. Фундаментальный аспект исследований электронных свойств манганитов связан с наличием в данных системах тесной взаимосвязи спиновой, зарядовой и орбитальной степеней свободы. При изменении электронной концентрации их конкуренция реализуется в богатом разнообразии фазовых состояний с магнитными и транспортными свойствами оксида, востребованными современными технологиями. В настоящее время активно обсуждается возможность использования манганитов в спинтронике благодаря обнаруженному в них эффекту колоссального магнитосопротивления (КМС).
Несмотря на большой объем накопленного экспериментального материала для манганитов с дырочным допированием, механизмы, лежащие в основе эффекта КМС, до конца не установлены. Существует ряд моделей, позволяющих качественно, а в некоторых случаях количественно, описать наблюдаемые свойства манганитов. Однако для построения полной теории, описывающей все многообразие физических свойств этих материалов, необходима дополнительная информация об их магнитном и орбитальном состояниях. Это позволило бы расширить представления о природе и особенностях зарождения фазово-неоднородного состояния и влиянии на них кристаллических искажений. Поэтому исследование слабо допированных электронами манганитов кальция и стронция с различной симметрией кристаллической структуры, а также стехиометрическо-го манганита лантана как модельного объекта для изучения орбитального упорядочения является важной задачей.
В настоящее время манганиты исследуются преимущественно традиционными макроскопическими методиками. Однако более детальную информацию позволяют получить локальные методы, в частности метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Так, например, ЯМР на ядрах 170 наиболее информативен, поскольку ионы кислорода расположены в первой координационной сфере магнитных ионов марганца, вследствие чего наиболее «удобны» для изучения зарождения и эволюции парных Мп-Мп спиновых корреляций, их анизотропии, а также динамики возникающих магнитных неоднородностей [1,2].
Таким образом, привлечение методов ЯМР для исследования процессов электронной локализации, играющих ключевую роль в механизме формирования фазово-неоднородного состояния, а также для изучения эволюции орбитального упорядочения с температурой является весьма актуальным.
Целью данной работы является исследование распределения спиновой и зарядовой плотности в манганитах со слабым электронным допированием, имеющих различную кристаллическую структуру: СаМпОз-й, БгМпОз-й (6 < 0.01), а также в стехиометрическом ЬаМпОз методами ЯМР и магнитной восприимчивости. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
методами ЯМР и магнитной восприимчивости изучить особенности основного состояния слабо допированных электронами манганитов с различной кристаллической структурой СаМпОз-й и БгМпОз-й (6 < 0.01), характеризующихся одним типом антиферромагнитного упорядочения;
исследовать спиновую динамику ионов Мп для манганитов СаМпОз-й и БгМпОз-й (<5 < 0.01), оценить параметры движения допированных электронов: энергию активации и частоту перескоков;
в стехиометрическом манганите ЬаМпОз исследовать эволюцию сверхтонких полей на ядрах 170 и градиента электрического поля на ядрах 139Ьа при переходе орбитальный порядок - орбитальный беспорядок.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые методами ЯМР и магнитной восприимчивости экспериментально исследовано формирование неоднородного распределения спиновой и зарядовой плотностей в электронно-допированных манганитах: орторомбическом СаМпОз-й и кубическом БгМпОз-й (S < 0.01) с одним типом антиферромагнитного упорядочения, а также влияние перехода орбитальный порядок - орбитальный беспорядок на электронные свойства исходного ЬаМпОз. Научная новизна диссертационной работы отражена в следующих положениях, выносимых на защиту:
-
В орторомбическом перовските СаМпОз-й (<5 < 0.01) реализуется неоднородное основное состояние, представляющее собой антиферромагнитную матрицу с включением магнитных поляронов. Характерная энергия образования магнитных поляронов составляет ~ 1100 К. Выше 40 К магнитные поляроны начинают совершать медленное диффузионное движение. Их разрушение происходит выше температуры антиферромагнитного упорядочения (Тдг).
-
Локализация электронов в кубическом БгМпОз-й происходит в области Т < 50 К (что существенно ниже Тдг) и сопровождается формированием магнитных поляронов, характерная энергия образования которых ~ 300 К значительно меньше, чем в орторомбическом СаМпОз-й, а их размеры существенно больше, чем в СаМпОз-й.
-
В парамагнитной фазе кубического БгМпОз-й обнаружены признаки существования антиферромагнитных спиновых корреляций соседних ионов Мп, в отличие от орторомбического СаМпОз-й, где моменты ионов Мп4+ флуктуируют независимо друг от друга в эффективном поле Вейсса.
-
В манганите ЬаМпОз исследование градиента электрического поля на ядрах 139La показало, что выше температуры перехода орбитальный порядок - орбитальный беспорядок {Tjt) зарядовое окружение La сохраняет симметрию ниже кубической.
-
Из температурной зависимости сверхтонких полей на ядрах 170 в парамагнитной фазе ЬаМпОз следует, что в области орбитального упорядочения (Т < Tjt) реализуется ферромагнитный тип спиновых корреляций ионов Мп3+ в плоскости ab и антиферромагнитный - вдоль оси с. Разрушение орбитального порядка вдоль оси с начинается задолго до Tjt, тогда как в плоскости ab орбитальный порядок сохраняется вплоть до Tjt- Выше Tjt корреляции магнитных моментов Мп являются ферромагнитными и изотропными.
Научная и практическая ценность работы. Реализованный в работе метод ЯМР 170 позволяет получить детальную картину распределения спиновой и зарядовой плотности в манганитах в силу особенностей расположения атомов кислорода в кристаллической решетке. Данный ме-
тод является эффективным для изучения корреляции спиновых, зарядовых и решеточных степеней свободы.
Полученные в работе результаты расширяют представление об особенностях зарождения микроскопического фазового расслоения, о влиянии кристаллической структуры на электронную локализацию, а также о взаимосвязи электронной и магнитной подсистем в сильнокоррелированных оксидах со структурой перовскита. Эти результаты могут быть использованы при построении теоретических моделей, описывающих фундаментальные свойства манганитов, в том числе эффект КМС.
Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, обсуждались на различных симпозиумах, конференциях, школах: Международной школе «Actual Problems of Magnetic Resonance and its Applications» (Казань, Россия, 2009, 2011 гг.); Молодежной школе-конференции «Магнитный резонанс и его приложения» (Санкт-Петербург, Россия, 2009 г.); Всероссийской молодежной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (Екатеринбург, Россия, 2012, 2013 гг.); Международной школе физиков-теоретиков «Коуровка» (Екатеринбург, Россия, 2010, 2012 гг.); Научной сессии Института физики металлов УрО РАН (Екатеринбург, Россия, 2011 г.); Московском международном симпозиуме по магнетизму (MISM) (Москва, Россия, 2011 г.); Международном симпозиуме «Ordering in Minerals and Alloys» (Ростов-на-Дону, Россия, 2013 г.).
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением широко апробированных методов записи спектров ядерного магнитного резонанса и измерения параметров магнитной релаксации, хорошей воспроизводимостью результатов, надежной аттестацией образцов, корректностью обработки экспериментальных данных.
Личный вклад автора. Совместно с научным руководителем Михалевым К.Н. автор участвовал в постановке научных задач исследований. При непосредственном участии автора проведены высокотемпературные измерения магнитной восприимчивости всех исследованных манганитов. Получена основная часть экспериментальных данных по ЯМР 170 для CaMn03_«s, SrMn03_«s (6 < 0.01) и LaMn03. Получены результаты ЯМР исследований на ядрах 55Мп для манганитов БгМпОз-й, а также на 139La для ЬаМпОз. Выполнена обработка всех экспериментальных результатов.
Автор внес существенный вклад в анализ и систематизацию полученных данных, а также в подготовку текста публикаций.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано три статьи в журнале Physical review В, входящем в Перечень ВАК. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 141 страницу печатного текста, в том числе 8 таблиц и 60 рисунков. Библиографический список включает 146 наименований на 14 страницах.
