Введение к работе
Актуальность исследования. В современной физике магнитных явлений в последние десятилетия растет интерес к исследованию новых магнитных состояний вещества, по своим свойствам отличающихся от классических фер-ро-, ферри- и антиферромагнетиков Такие магнитные структуры могут возникать по разным причинам Среди этих состояний можно отметить магнитные структуры, образующиеся на треугольных решетках и других специфических типах решеток В таких структурах конкуренция антиферромагнитных обменных связей может проявляться в геометрической фрустрации обменного взаимодействия, те такого пространственного расположения магнитных ионов, при котором одновременное антипараллельное упорядочение всех взаимодействующих спинов невозможно Результатом такого эффекта может быть формирование неколлинеарной магнитной структуры, а в случае сильной фрустрации - даже отсутствие дальнего магнитного порядка
Другие примеры неколлинеарных структур показывают различные типы модулированных магнитных структур, которые своим возникновением также чаще всего обязаны конкуренции обменных взаимодействий Наиболее простым случаем модулированной структуры является простая спираль, в которой плоскость спирали перпендикулярна волновому вектору структуры Встречаются геликоидальные структуры циклоидного типа с волновым вектором, лежащим в плоскости спирали, а также более сложные модулированные структуры типа волны спиновой плотности
Кроме того, очень интересны магнитные структуры, возникающие в низкомерных магнитных системах с антиферромагнитным обменным взаимодействием Из-за сильных квантовых флуктуации либо опять-таки вследствие конкуренции обменных взаимодействий в цепочке между ближайшими ионами и со вторыми соседями такие системы демонстрируют широкий спектр необычных магнитных структур, включающих бесщелевые спин-жидкостные состояния, структуры с энергетической щелью между синглетным основным и
возбужденным магнитными состояниями (например, ладерные и спин-Пайерлсовские структуры) и модулированные магнитные структуры
Сложные магнитные структуры могут возникать и как результат взаимодействия разных магнитных подсистем одного кристалла В качестве таких подсистем могут выступать, например, подсистемы редкоземельных ионов и ионов группы Зс1-металлов либо это могут быть подсистемы ионов одного типа, которые находятся в неэквивалентных кристаллографических позициях и в силу этого обладающие разными магнитными структурами Поскольку магнитные подсистемы вставлены одна в другую, в таких кристаллах, как правило, возникают сложные магнитные структуры с различной конфигурацией разветвленных обменных связей В формировании таких структур конкуренция обменных взаимодействий часто играет важную роль Наряду с этим конкуренция магнитоанизотропных взаимодействий разного знака, присущих разным магнитным подсистемам, также может играть ключевую роль в образовании сложных магнитных фазовых диаграмм с переходами между состояниями, которые происходят при изменении температуры или магнитного поля
Одним из наиболее перспективных классов магнетиков для поиска и исследования сложных магнитных структур являются оксидные соединения меди или оксокупраты Широкое разнообразие магнитных структур в оксокупра-тах в немалой степени обусловлено структурными особенностями иона Си2+ Многие другие магнитоактивные ионы, как правило, предпочитают определенный тип кристаллографических позиций Например, ионы Fe3+ и Мп2+ занимают преимущественно октаэдрические позиции, иногда - тетраэдрические Ион Си2+, кроме октаэдрического и тетраэдрического кислородного окружения, может иметь также квадратное и пирамидальное окружения Такая «неприхотливость» иона Си2+ объясняется особенностями его электронной структуры, позволяющей ему адаптироваться к разным типам кислородного окружения А широкий набор типов кристаллографических позиций иона меди приводит к большому разнообразию возможных магнитных структур с различной конфигурацией обменных связей Этому способствует также то об-
стоятельство, что в оксокупратах косвенное обменное взаимодействие может реализоваться не только через традиционные для других магнитоактивных ионов цепочки Me - О - Me, но и через более протяженные и разветвленные цепочки типа Cu-0-A-O- Си, где А - катион другого сорта (например, A=Bi3+, BJ+ и др) Кроме того, способность иона меди адаптироваться к различному кислородному окружению является важной предпосылкой к образованию в рамках одного кристалла нескольких магнитных подсистем с различными типами магнитного порядка, которые связаны между собой обменными взаимодействиями Важно также, что многие из оксокупратов обладают низкомерными магнитными свойствами
Еще одним перспективным классом объектов исследования являются редкоземельные ферробораты с общей формулой ІЯРез(ВОз)4 с кристаллической структурой, изоморфной структуре минерала хантита Магнитные свойства кристаллов этой группы определяются взаимодействием магнитных подсистем ионов Fe3+ и редкоземельного иона R3+ А конкуренция вкладов этих двух подсистем в магнитную анизотропию предполагает существование фазовых переходов между состояниями, происходящих как при изменении температуры, так и в магнитном поле Исследования магнитных структур в кристаллах этой группы только начаты, но уже показывают широкий диапазон возможных состояний в зависимости от типа редкоземельного иона эти соединения могут быть легкоосными или легкоплоскостными антиферромагнетиками, спиральными магнетиками либо образуют угловые магнитные структуры
В некоторых представителях этого класса {с R=Gd и Nd) обнаружен магнитоэлектрический эффект, следовательно, эти кристаллы принадлежат к группе мультиферроиков, исследования которых является одним из важных направлений в современной физике твердого тела Первые исследования этого эффекта в кристаллах группы хантита показали, что электрическая поляризация возникает только при определенной магнитной структуре кристалла По этой причине появление электрической поляризации в некоторых кристаллах ферробората связано с ориентационными фазовыми переходами Поэтому изу-
чение магнитных фазовых диаграмм и природы фазовых переходов в этих кристаллах, а также способы управления магнитным состоянием с помощью легирования кристаллов приобретают особую важность
Основным экспериментальным методом исследования в работе является метод магнитного резонанса, который является одним из наиболее информативных и чувствительных косвенных методов изучения магнитных структур Сильная чувствительность магнитного резонанса к магнитному состоянию вещества позволяет использовать его, как очень чувствительный метод изучения магнитных фазовых переходов и фазовых диаграмм В то же время в любом исследовании важен комплексный подход, сочетающий различные экспериментальные методы Поэтому при выполнении этой работы по мере необходимости автором привлекались и другие экспериментальные методы температурные и полевые зависимости намагниченности, магнитострикционные измерения, в том числе - в сильных магнитных полях
Целью работы является изучение магнитного резонанса и фазовых переходов в кристаллах, магнитная структура которых образована в результате конкуренции обменных или магнитоанизотропных взаимодействий Можно выделить две главные задачи, которые решались при проведении исследований
исследовать роль конкурирующих взаимодействий в формировании магнитной структуры кристалла и особенности магнитного резонанса в таких структурах,
изучить влияние внешнего магнитного поля и построить магнитные фазовые диаграммы кристаллов, а также установить природу фазовых переходов
Объекты исследования Все исследования проведены на монокристаллах В соответствии с поставленными задачами в качестве объектов исследования были выбраны следующие соединения
Кристаллы оксокупратов тетрагональный кристалл метабората меди СиВ204, фазовая диаграмма которого содержит несколько геликоидальных со-
стояний, орторомбический кристалл LiCu202 с квазиодномерной магнитной структурой, триклинный кристалл С115ВІ2В4О14 с ферримагнитной структурой и тетрагональный кристалл ВІ2С11О4
Кристаллы редкоземельных ферроборатов ферроборат гадолиния GdFe3(B03)4, обе магнитные подсистемы которого образованы ионами в S-состоянии, ферроборат иттрия YFe3(B03)4, содержащий только магнитную подсистему железа, кристаллы GdFe3(B03)4 с диамагнитным разбавлением по обеим магнитным подсистемам
Резонансные спектры поглощения всех перечисленных объектов наблюдались в диапазоне резонансных частот от 25 до 140 ГГц и в магнитных полях до 60 кЭ Для обеспечения резонансных измерений в таких широких пределах был разработан автоматизированный спектрометр магнитного резонанса с широким диапазоном рабочих частот и импульсных магнитных полей, способный обеспечить выполнение поставленных физических задач на современном уровне
Научная новизна В процессе проведения исследований получены новые результаты, основные из которых выносятся на защиту
На основе комплексных исследований магниторезонансных, магнитных и магнитострикционных свойств тетрагонального кристалла метабората меди СиВ204 впервые построены магнитные фазовые диаграммы метабората меди в магнитных полях вдоль тетрагональной оси и в базисной плоскости кристалла С помощью магнитного резонанса обнаружено новое магнитное состояние в интервале температур 9,5-20 К, а также два близкорасположенных фазовых перехода в модулированные состояния ниже температуры 1,8 К Показано, что в магнитном поле вдоль тетрагональной оси причиной перехода из несоизмеримого в соизмеримое состояние при Т<9 5 К является насыщение магнитным полем слабой подсистемы ионов меди, упорядоченной за счет обменного взаимодействия с сильной подсистемой
Установлено, что резонансные свойства метабората меда в частотном интервале 3,5-80 ГГц обусловлены колебаниями в слабоупорядоченной под-
системе ионов меди Магниторезонансные данные показывают, что эту подсистему можно рассматривать, как легкоплоскостной и легкоосный антиферромагнетик, соответственно, в несоизмеримом и соизмеримом слабоферромагнитном состояниях В несоизмеримом состоянии резонансные свойства метабората меди не имеют признаков, характерных для спиральных магнетиков
Впервые проведены исследования структурных, магнитных и резонансных свойств орторомбического кристалла LiCu202 Установлено, что это соединение является квазинизкомерным магнетиком В области магнитного порядка L1C112O2 обнаружена частотно-полевая зависимость резонанса, характерная для спиральных магнитных структур Малое значение энергетической щели для этой ветви свидетельствует об очень слабой магнитной анизотропии в плоскости (йй)
Впервые изучены кристаллическая структура, магнитные и магниторезонансные свойства нового оксокупрата С115В12В4О14, принадлежащего к триклинной пространственной группе Р\ Предложена ферримагнитная структура этого кристалла с легкой осью вдоль триклинной оси с, подтвержденная нейтронными исследованиями Обнаружено, что большинство угловых зависимостей намагниченности и резонансного поля ФМР в CU5B12B4O14, в которых экстремумы чередуются через углы ~л/2, хорошо описываются в рамках ромбической магнитной симметрии Вид угловых зависимостей для исследованных плоскостей вращения объясняется характерным расположением ионов меди в этих плоскостях
Впервые для кристаллов группы хантита исследован антиферромагнитный резонанс в Ос№ез(ВОз)4, УРез(ВОз)4 и кристаллах на основе ферробората гадолиния с диамагнитным замещением в обеих магнитных подсистемах Установлено, что при температуре Нееля в этих кристаллах возникает антиферромагнитный порядок в подсистеме ионов Fe3+, а подсистема Gd3+ в Ос!Рез(ВОз)4 при Т<Тм упорядочена за счет обменного взаимодействия с подсистемой железа
6 Магнитная анизотропия ферробората гадолиния определяется конкуренцией вкладов подсистем ионов Fe3+ и Gd3+, близких по абсолютной величине и имеющих противоположные знаки Из сравнения с резонансными данными для YFe3(B03)4 определены температурные зависимости вкладов подсистем Показано, что в результате различия температурных зависимостей вкладов в этом кристалле в области магнитного порядка происходит спонтанный ориентационный переход из легкоосной в легкоплоскостную антиферромагнитную структуру Впервые изучены магнитные фазовые диаграммы чистого и диамагнитно замещенного ферробората гадолиния в магнитном поле вдоль тригональной оси и в базисной плоскости
Научная и практическая ценность работы. Научную ценность представляют нетривиальные экспериментальные результаты, полученные впервые в ходе выполнения работы Эти результаты являются оригинальными и стимулируют развитие новых теоретических представлений о магнитном состоянии кристаллов с конкурирующими взаимодействиями Среди таких результатов можно отметить следующие
1 Магнитные фазовые диаграммы метабората меди, детально исследованные в широком интервале температур и магнитных полей, ориентированных как вдоль тетрагональной оси, так и в базисной плоскости Особенно важен фазовый переход из спирального в соизмеримое состояние в магнитном поле, перпендикулярном плоскости спирали, свидетельствующий о ключевой роли слабоупорядоченной подсистемы в формировании спиральной структуры 2. Обнаружение магнитного резонанса в спиральном магнетике LiCu202. Число экспериментальных работ по магнитному резонансу в модулированных магнитных структурах ограничено и значение их для развития теории резонансных свойств таких структур очень важно 3 Необычным является обнаружение в триклинном кристалле CU5B12B4O14 угловых зависимостей намагниченности и резонансного поля, симметрия которых близка к ромбической
Научную ценность представляют магнитные фазовые диаграммы чистого и диамагнитно замещенных кристаллов ферробората гадолиния GdFe3(B03)4 Исследования АФМР в ферроборате иттрия YFe3(B03)4 позволили определить магнитное состояние подсистемы железа в кристаллах группы хантита и температурную зависимость ее константы магнитной анизотропии Поскольку подсистема железа присутствует во всех кристаллах группы RFe3(B03)4, эта информация будет востребована при анализе магнитного состояния кристаллов, выделении вкладов редкоземельных ионов в общую магнитную анизотропию и при прогнозировании областей существования в них магнитоэлектрического эффекта
Практическую ценность имеет спектрометр магнитного резонанса с широкими диапазонами рабочих частот и магнитных полей, который является универсальным инструментом изучения спектров магнитных возбуждений широкого класса магнетиков При автоматизации спектрометра разработана методика определения мгновенного значения магнитного поля в любой точке импульса и построения полевых разверток спектров резонансного поглощения Методика, не требующая применения быстродействующего АЦП и основанная на использовании математической модели импульса тока через соленоид, может быть применена в любой научной или промышленной установке, использующей импульсные магнитные поля
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации были представлены и обсуждались на следующих симпозиумах, конференциях и совещаниях
Московских международных симпозиумах по магнетизму MISM-2002 и MISM-2005 (Москва, Россия, 2002 и 2005 гг ),
Международных конференциях EASTMAG-2004 и EASTMAG-2007 (Красноярск, Россия, 2004г и Казань, Россия, 2007 г),
33-ем и 34-ом совещаниях по физике низких температур (Екатеринбург, Россия, 2003 г, Сочи, Россия, 2006 г),
Международном симпозиуме по спиновым волнам Spin Waves-2007 (Санкт-Петербург, Россия, 2007 г)
Личный вклад автора. Содержание диссертации отражает персональный вклад автора В целом личный вклад автора является достаточно весомым в выборе направления исследования, постановке задач, планировании и проведении экспериментов В частности, автор принимал активное участие в проведении всех магниторезонансных измерений и большей части магнитостатиче-ских измерений, а также в интерпретации всех полученных результатов Автор также непосредственно участвовал в создании спектрометра магнитного резонанса с импульсным магнитным полем и принимал активное участие в его автоматизации
Публикации По теме диссертации опубликовано 24 печатных работы в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах, получено 1 авторское свидетельство
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитируемой литературы Общий объем составляет 257 страниц, включая 95 рисунков Список цитированной литературы состоит из 285 наименований
