Введение к работе
Актуальность проблемы. Охкснно соединения на основа редкоземельных (РЗі элементов характеризуются болілим разнообразием уникальных маппітішх, маппітоупругих, нагісітооптпчоскпх, резонансных, штических и других 1311460101:1 свойств. Это обстоятельство обуславливав? их использование в соврз?:9шіоЛ паукэ п техвико в качества рабочих материалов в лазерной и вучнслнтольноЯ технике, прикладной магнитооптике, в различных устройствах микроэлектроника, нэг-зитоакустика п т.д.
Исследование РЗ соединенна позволяет, что представляется пск-точителыю важным, репать проблем, пм-эщие фундаментальное значение для физики твердого тела. Такта сі обпзіми проблема;.^, кмэицими іепосрвдственное относошю к дагшой работе, являются проблеми їняснєния механизмов формирования магаїтоупругих и мапштооптичо-:кпх свойстз кристаллов, ориентационшх п структурных фазоенх подходов, природы вясокоте'яівратурнсЯ сверхпроведоюстп.
Свойства РЗ соединений очень сальпо изменяются при переходе
т одного РЗ иона к другому. Поэтоху вакное значение имеет евдэло-
ие вклада РЗ подсистемы, который определяется индивидуальпымл
войствага РЗ иена в данном соединении п который определяет зако-
эмерностн излгэнения фтаяческих свойств по ряду РЗ попов. РЗ пепи
іфисталлической репеті» обладав? восьма слогзей электронной
груктурой, строгий шяфоскопячеекпл рзечо? которой з пастопзэв
эемя практлчоекп невозможен. Поэтому при теоретическом рассмотре-
пі часто используются' "полуфэнеменолоппоекпв" подхода (см. на-
)имер, монографію (1J), основанные на г&'Дільтонианах, которые не
ічнеляютея из первых принципов, а конструируются исходя из обяпх
(Ойств симметрии окружения иопов. Однако, к настоящему времени
коплен большой объем спектроскопической информация, которая по-
оляет количественно решать задачи о влияния РЗ поноз на ор?.гиро-
ни9 свойств РЗ соединений, конечно, при условия использования
екватных методов расчета. Важно, что данный подход позволяет
бежать появления дополнительных феноменологических параметров,
рорые неизбежно сопутствуют, например, методу спин-гамильтопиа-
, и рассчитывать в единой схеме свойства весьма пирокого класса
дашений ют гранатов до ВТСП с РЗ ионами».
-*-
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы являлось теоретическое исследование магнитных, упругих, магнитоупругих и магнитооптических свойств РЗ окисных соединений в рамках единого подхода. Изучались следующие РЗ соединения: галлаты-, алюминаты- и ферриты-гранаты, r3u5o12 їм = са, лі, Fe>, РЗ фосфаты со структурой циркона, ВРОд, РЗ ортоалюминаты , ортоферриты и ортохромиты, Ю1о3, ы « А1, Fe, Сг, высокотемпературные сверхпроводішки 1-2-3
Яша, RBajCu^O^.
Дня этого были разработаны: і) высокоэффективная оптимизационная процедура для случая многих переменных при наличии ограничений в виде равенств и неравенств; 2) программы расчета электронной структуры РЗ ионов с учетом J- и ls- смешивания; 3) nporpsfMi численного счета мультипольних моментов РЗ ионов, деформационной и магнитной восприимчивостей, интенсивностей r-f переходов, намагниченности и т. д. для разных направлений и величин магнитного поля в широком интервале температур.
Весь комплекс выполненных в работе исследований был направлен на решение следующих конкретных задач.-
исследование магнитных фазовых диаграмм и доменных структур в областях метастабильности сильвоанизотропных магнетиков;
выяснение природы и закономерностей магнитоупругого взаимодействия в РЗ окисных соединениях (гранатах, фосфатах и ВТСП 1-2-31, особенностей упругих и структурных характеристик этих соединений:
определение кристаллического поля низкосимметричного окружения РЗ иона;
количественный анализ магнитооптических свойств РЗ кристаллов (магнитное линейное двупреломление, магнитный линейный дихроизм, аффект Зеемана).
Научная новизна и защищаемые результаты. Оригинальное направление исследований, выполненных в диссертационной работе, заключается в проведении количественного анализа магнитооптических, магнитоупругих, упругих и магнитных свойств РЗ соединений, обусловленных РЗ ионами, в рамках единого подхода, основанного на использовании имеющейся спектроскопической информации. В качестве объектов теоретического исследования были выбраны РЗ окисные соединения со структурами: граната, циркона и искаженного перовскита.
Конкретная научная новизна определяется следующими основными
результатами, выносимыми на защиту :
1. Развитие теории магнитооптических явлений в РЗ соедине
ниях.
-Количественный анализ магнитооптических явлений: магнитного линейного двупреломления і МЛДп > и магнитного линейного дихроизма іМЛД> в РЗ гранатах.
Объяснение закономерности изменения МЛДп по ряду тяжелых РЗ ионов ОТ ТЬ ДО Yb.
Предсказание возможности реализации нового фазового перехода между антиферромагнитными фазами, обусловленными "induced atag-gered field- взаимодействием в Dy3A-5o12, и его проявления в МЛДп.
- Теория МЛД в области г-г переходов в ферритах-гранатах.
Получение информации о нецентросимметричном кристаллическом поле
для иона Yb3* в Yb3Fa5o,2.
2. Развитие теории магнитоупругих явлений: магнитострикции,
аномалий постоянных решетки, аномалий упругих модулей в РЗ окисних
соединениях с низкой симметрией окружения РЗ иона (тетрагональной,
орторомОической и моноклинной).
Объяснение закономерностей магнитоупругого взаимодействия в РЗ парамагнитных гранатах и фосфатах, вклэтавдее в себя определение магнитоупругих коэффициентов.
Выявление природы магнитострикции в ВТСП 1-2-3 с РЗ ионами Dy, Но, Er, Тт и объяснение полевых, температурных и ориентацион-ных зависимостей магнитострикции.
Установление неустойчивости решетки DyBa2Cu3o6ta в тетрагональной и орторомОической фазах относительно моноклинных искажений
Х2.
3.Создание высокоэффективной оптимизационной процедуры для случая многих переменных при наличии ограничений б виде равенств и неравенств, позволившей, в частности, определить кристаллические поля низкой симметрии, действующие па ионы ть, Dy и Ти в ортоаяю-минатах и ортоферритах, из спектроскопических и магнитных данных, а также разработать соленоиды оригинзлышх конструкций.
4.Построение магнитных фазовых диаграмм, расчет доменных структур в областях метастабильности л аномалий физических характеристик при ориентационных фаговых переходах первого я второго рода.
Научио - практическая значимость результатов. Полученные результаты позволяют в едином подходе описать большую совокупность особенностей поведения магшшшх, упругих, мапттоупругих и магнитооптических свойств РЗ соедішешіЯ їв частности, ВТСП 1-2-3). В рамках развитых в диссертации представлений объяснены многие экспериментальные результати, ряд эффектов предсказан и впоследствии экспериментально обнаружен. Практическая ценность полученных результатов обусловлена бозмохность» эффективного управления физическими свойствами РЗ соединешШ с помощью внесшего магнитного поля, температуры и разнообразных замещении в РЗ подсистеме, что особенно важно для реиения проблемы создания магнитных материалов с заданными свойствами.
Те-ор-тические результати диссертации использовались для объяснения нмеицихся экспериментальных дашшх и послужили стимулом для новых исследований в Московском государственном университете. Институте оСцой физики Alt СССР, Физико - техническом институте низких температур АН УССР, Институте металлофизики АН УССР, Институте физики металлов УО All СССР, Уральском иолитехішческом институте, Московском авиационном институте, Институте высоких энергий и ряде других организации.
Апробация работы. Основино результаты исследовании, представление в дассертацші, докладывались и обсуїдались на следующее конференциях, совещаниях к семинарах:
Всесоюзные конференции по физике магаитпых явлений (Донецк, 1977; Туда, 1983; Донецк, І985; Калинин, 1888; Ташкент, 1991)
Мех:дукародпая конференция по магнетизму ICU 88 і Париж,1988)
- Советско-польский се;-пшар по исследованию г-электронных
систем (Вильнюс, 1933)
Международная конференция по материалам и механизмам сверхпроводимости высокотемпературных сверхпроводников (Стэнфорд, 1989; Каназава, 1991)
Всесоюзная конференция по высокотемпературной сверхпроводимости (Киев, 1989)
-Республиканский научный семинар "Физика ферритов и родственных им соединений" (Донецк. 1987, 1989)
- Всесоюзный симпозиум "Магнетизм редкоземельных соединений"
(Москва, 1989)
-Всесо-озное совещашіе -Оптические свойства магнитных диэлектриков- (Киев, 1989)
- Сессия научного совета ЛИ СССР по проблеме "Ь'агнэтизм"
(Алушта, 1991)
- Мездународпая конференция по шсокотешерзтурной сверхпро
водимости (Москва, 1991)
- Международный симпозиум по магнитооптике (Харьков, 1991»
Публикации. По теме диссертацші опубликовано 60 печатных
работ, список основных публикаций (44) приводен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех частей ! содержащих соответственно четыре, одну и четыре главы), заключения, списка цитируемой'литературы и двух прилохе-киа. В девяти главах трех частей диссертации изложены оригинальные результаты. В начале каздой из глав обосновывается актуальность задачи и формулируется ее постановка, в заклхлешга главы приводятся основные результаты и вывода.