Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обобщенная модель ферромагнитного металла (ОШМ) ю
1.1. Обзор моделей, предлагавшихся для описания магнитных свойств соединений РЗМ-Зг/-металл 10
1.2. Обоснование ОШМ. Гамильтониан задачи 14
1.3. Обзор методов, применявшихся для расчета магнитных характеристик соединений РЗМ-3-металл 16
1.4. Выбор приближения и соответствующего базиса операторов 19
Выводы к главе I 25
Глава 2. Спектр элементарных возбуждений и магнитные свойства изотропной ОМФМ 26
2.1. Изотропная ^/-подсистема ОМФМ в приближении слабой связи. Случай S= 1/2 ( 6- величина спина отдельного иона У-подсистемы) 26
2.2. Изотропная ^/-подсистема в приближении сильной связи. Случай произвольного 3 35
Выводы к главе 2 45
Глава 3. Энергетический спектр ОШМ с одной онной анизотропией (ОА) при низких температурах 46
3.1. Природа магнитокристаллической анизотропии в соединениях РЗМ-3 <Я-металл 46
3.2. Анизотропная ОШМ типа "легкая ось" в поперечном магнитном поле 47
3.3. Низкотемпературная ОМФМ с различающимися по знаку константами ОА в У- и ^/-подсистемах 57
Выводы к главе 3 64
Глава 4. Элементарные возбуждения в ОМФМ с ОА в широком интервале температур 65
4.1. Анизотропная ^-подсистема в приближении слабой связи. Случай S - I 65
4.2. Анизотропная 4.3. Природа спиновых волн в ОМФМ с ОА 78 Выводы к главе 4 81 Глава 5. Магнитооптические свойства (ШМ с ОА 82 5.1. Постановка задачи. Выбор граничных условий . 82 5.2. Динамическая восприимчивость ОШМ с ОА. Уравнения Максвелла 85 5.3. Неоднородный ферромагнитный резонанс в ОШМ с ОА 90 Выводы к главе 5 94 Заключение 95 Литература Введение к работе Актуальность темы. За последние десятилетия физика магнитных явлений превратилась в обширную и разветвленную отрасль современной физической науки. Огромные успехи, достигнутые в области магнетизма, в значительной мере обусловлены применением так называемого метода модельного гамильтониана flj. Использование математических моделей (или их комбинаций) позволяет качественно (а часто и количественно) правильно описать реальную физическую ситуацию. Однако из-за трудностей точного расчета электронной зонной структуры и проведения всех необходимых экспериментов мы все еще не можем с полной определенностью утверждать, какая из микроскопических моделей (или их комбинаций) наиболее адекватно описывает реальную ситуацию в том или ином веществе. Поэтому определение истинного механизма возникновения магнитоупорядоченно-го состояния в настоящее время считается проблемой номер один в теории магнетизма. В последнее время интерметаллические соединения (интерметал-лиды) ?Ш-За -металл находят все большую область практических применений /z/. Одним из наиболее важных примеров таких соединений является интерметаллид *5V/2?., на основе которого созданы постоянные магниты с рекордными значениями запасенной магнитной энергии. Для описания магнитных свойств интерметаллидов P3M-&Z-металл преимущественно применяются модели, в которых как редкоземельная подрешетка ( У-подсистема), так и подрешетка За-металла ( /-подсистема), рассматриваются в рамках модели Гейзен-берга /Зу. При этом используются представления о трех магнитно-активных (обменных) взаимодействиях -а-а, У-/, с/- У, каждое из которых является прямым. Однако известно, что модель Гейзен- берга неудовлетворительно описывает как РЗМ, так и Зи -металлы (элементы группы железа). Поэтому применимость данной модели к подрешеткам вышеупомянутых соединений представляется неоправданной. В настоящей диссертации для описания интерметаллидов РЗМ-З^г металл предлагается так называемая обобщенная модель ферромагнитного металла (<Ж?М) с одноионной анизотропией (ОА), объединяющая черты зонного магнетизма (коллективизированного магнетика с прямым ^z-^z-обменом) и магнетизма локализованных спинов (редкоземельного магнетика с локализованными спинами у-оболочек, взаимодействующими через механизм косвенного обмена) /І] и учитывающая магнитокристаллическую анизотропию в указанных соединениях. Как показывают эксперименты самых последних лет (определение точки К&ри / , измерение сверхтонкого поля на ядрах ^подсистемы, вычисление решеточных сумм по методу РККИ и т.д.)/5-7/ , магнетизм ^/-подсистемы обусловлен преимущественно коллективизированными 3^электронами. Известно, что интерметаллиды РЗМ-3^/-металл обладает высокими значениями магнитокристаллической анизотропии [ZJ, Последняя играет существенную роль в формировании динамических свойств данных соединений. Следовательно, ОШМ с ОА с точки зрения описания магнитных свойств интерметаллидов РЗМ-За-металл является наиболее адекватной. Поэтому исследование элементарных возбуждений (спиновых волн) в данной модели имеет актуальное значение. Целью настоящей работы является: Исследование спектра спиновых волн в изотропной ОМШ в широкой области температур. Анализ влияния ОА на спектр спиновых волн в ОМФМ при низких и высоких температурах. Изучение взаимодействия внешнего электромагнитного излучения с анизотропной ОМФМ вблизи спин-волновых резонансов. Научная новизна. В работе систематически проведен анализ основных типов обменных взаимодействий в интерметаллидах РЗМ- а-металл. В результате обоснован выбор ОМФМ с ОА для наиболее адекватного описания магнитных свойств данных интерметаллидов. Построена последовательная теория спиновых волн в ОМФМ без и с учетом ОА при слабых и сильных электронных корреляциях в ^-подсистеме, рассмотрено поведение данной модели во внешнем высокочастотном поле. В результате проведенных исследований впервые: 1. Показано, что температурная зависимость намагниченности изотропной ОМФМ при температурах Т^Т*^ 77^ , где /^= =^7/ I - константа с/- ^-обменного взаимодействия, /fs - постоянная Больпмана, подчиняется закону <" Т3^^ Блоха, а в области температур Т7 я 7^*^71, описывается в рамках тео-рии молекулярного поля. Рассчитан спектр спиновых волн в ОМФМ с ОА при низких температурах и выведена явная зависимость энергетических щелей спектра от величины внешнего магнитного поля, направленного перпендикулярно от "легкого" намагничивания. Найден спектр спиновых волн в ОМФМ с ОА при высоких температурах в случае «5=1» где . S - величина спина отдельного иона у-подсистемы, и установлено существование дополнительной, по сравнению с низкотемпературным случаем, ветви спиновых волн, связанной с переходом между возбужденными состояниями системы. Получены уравнения, описывающие температурную зависимость /77/ и /77, - относительных равновесных намагниченностей ^- и у*-подсистем соответственно. _ 7 - 4. Разработана теория поглощения электромагнитного излучения в ОМФМ с ОА вблизи спин-волновых резонансов при низких температурах и в условиях нормального скин-эффекта. Установлено, что наблюдение резонансного поглощения в интерметаллидах РЗМ-З^ -металл возможно в ИК-областй спектра. Практическая ценность работы состоит в следующем: Результаты исследования температурной зависимости намагниченности изотропной ОМФМ дают возможность экспериментального определения реального значения константы ^/-/-обменного взаимодействия в интерметаллидах РЗМ-3 ^тметалл. Рассчитанные характеристики ОМФМ с ОА при низких температурах (законы дисперсии спиновых волн, уравнение для намагниченности и т.д.) могут быть использованы для исследования динамических особенностей спиновой подсистемы интерметаллидов РЗМ-3и -металл. Полученное самосогласованное уравнение для намагниченности ОМФМ с ОА с широком интервале температур может быть положено в основу соответствующих численных расчетов. 4. Результаты изучения взаимодействия анизотропной ОМФМ с внешним электромагнитным излучением могут быть использованы для определения важных магнито-оптических характеристик интерметалли дов РЗМ-3^z -металл. Достоверность полученных результатов обусловлена использованием адекватного рассматриваемой физической задаче математического аппарата и подтверждается совпадением выводов в предельных случаях с соответствующими результатами модели Хаббарда /ё/ и модели Вонсовского /э/ . Структура и объем диссертации, диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов к каждой главе, заключения и списка цитированной литературы. Она изложена на 115 страницах машинописного текста^ включая 6 рисунков. Список цитированной литературы содер- жит 100 наименований. Краткое содержание работы. Во введении изложены актуальность темы, цель работы, полученные результаты, из практическая ценность и достоверность, краткое содержание работы, публикации и апробация работы. В первой главе проводится обзор моделей, предлагавшихся для описания интерметаллидов P3M-3^Z -металл. Обосновывается выбор модели, принятой в диссертации, разбираются возможные методы, применяемые для определения энергетического спектра и магнитных характеристик данных соединений. Анализируются приближения и соответствующие базисы операторов, в которых и рассматриваются далее элементарные возбуждения. Во второй главе исследуются энергетический спектр и магнитные свойства изотропной ОМФМ. Расчеты проводятся в приближениях слабой и сильной связей для а-подсистемы соответственно в случаях S = 1/2 и произвольного S . Приведены выводы к данной главе. В третьей главе изучается спектр элементарных возбуждений в низкотемпературной ОМФМ с 0А. Исследован случай поперечного магнитного поля. Выведена явная зависимость энергетических щелей от величины внешнего магнитного поля, направленного перпендикулярно оси "легкого" намагничивания. Рассмотрен случай, когда константы 0А У- и d-подсистем имеют разные знаки. В четвертой главе рассматривается энергетический спектр ОМФМ с 0А в широком интервале температур. Расчеты проведены в приближениях слабой и сильной связей для и -подсистем соответственно в случаях S = I и произвольного S Обсуждается природа спиновых волн в ОМФМ с ОА в указанном интервале температур. В пятой главе исследуются магнитооптические свойства ОМФМ с - 9 -ОА при низких температурах и в условиях нормального скин-эффекта. Рассмотрен случай S = I. Построена теория поглощения внешнего электромагнитного излучения в данной модели вблизи спин-волновых резонансов. В заключении подытожены полученные результаты. Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 7 печатных работах, которые приведены в списке цитированной литературы: [&] , /бз/ , [ьа] , /~5б/ , [ы] , fa] , /~837 . Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на конференциях молодых ученых и специалистов ВНЙИФТРЙ, на научных семинарах ВНИИФТРИ, на научном семинаре физического факультета МГУ, на ХУІ Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (Тула, 1983 г.). Мы будем рассматривать бинарные интерметаллиды РЗМ- sd-металл, представляющие собой двухподрешеточные (и - и У-подсис-темы) гексагональные ферромагнетики, каждая подрешетка которых обладает собственной магнитной анизотропией. Магнитная анизотропия как d- (константа анизотропии /fS )» так и / -подсистемы (константа анизотропии АҐ, ) носит одноионный характер /21/ . Анизотропией в плоскости базиса будем пренебрегать. Очевидно, что в таком случае векторы относительных равновесных (соответствующих абсолютному минимуму свободной энергии системы) намагниченностей подрешеток (соответствующие модули /77, и 777 ) и гексагональная ось С будут лежать в одной плоскости. Состояния t -электронов, как известно, обладают своеобразным дуализмом: локализация-коллективизация. Последнее обстоятель-в известной степени учитывается с помощью модели Хаббарда /22у, представляющей собой некоторую интерполяционную схему между коллективизированными и локализованными аспектами описания За-оо-стояний. Считается, что исходный энергетический спектр 3 -метал-лов имеет вид широкой Sp -зоны, в которую погружена система пяти узких пересекающихся 5#-зон (предполагается, что За -электр-роны образуют зону, но испытывают сильное кулоновское отталкивание на одном узле решетки). Для простоты вместо пяти атомных орби-талей З г-электронов в модели Хаббарда (в ее простейшем варианте / 23у ) рассматривается только одна атомная орбиталь и пренебрега- ется взаимодействием с S/?-электронными состояниями. В этом от ношении З -электроны формально описываются как S -электроны, т.е. З- -атом может находиться в следующих состояниях: без эле ктрона /о ("дырка"); с одним электроном с проекцией спина /& ; с двумя электронами при антипараллельных спинах / & ("двойка"). В остальных отношениях З -электроны модели Хаббар да сохраняют все свойства реальных Згг -электронов. Модель Хаб барда характеризуется тремя параметрами: ZJ - энергия кулоновско го отталкивания а -электронов с противоположными спинами на од ном узле (корреляционный параметр); z - энергия, необходимая для туннелирования -электрона с узла на узел (интеграл пере скока); С -концентрация а -электронов, которая может быть заключена в пределах 0 С 4. SL . Таким образом, -подсистему интерметаллидов РЗМ-Згг -ме-талл будем описывать с помощью гамильтониана Хаббарда В противоположность З -электронам, 4 У -электроны атомов РЗМ имеют волновые функции с эффективными радиусами, заметно меньшими расстояний между брижайяшми соседями решетки /Ї/. Поэтому эти электроны можно в некоторых отношеиях рассматривать так, как если бы они находились в изолированном атоме. Малость радиу о са вышеупомянутых волновых функций ( ъ ?,&$А ) по сравнению с наименьшими расстояниями между ионами - ближайшими соседями в о решетках РЗМ ( & 3/& А ) - позволяет почти полностью пренебречь перекрытием волновых функций 4 -слоев оболочек соседних ионов. Это позволяет выбрать в качестве простейшей модели РЗМ так называемую "ионную модель", согласно которой кристалл РЗМ можно представить как решетку трехвалентных ионов, омываемых электронами проводимости. Как показывают результаты экспериментов /Ё 7 по определению величин сверхтонкого поля, в интерметаллидах РЗМ- h, обменное взаимодействие РЗМ- Ре осуществляется не только через электроны проводимости S , но и в значительной степени через делокализо-ванные а -электроны атомов Fe и РЗМ (За? й 5 /). Большие величины сверхтонкого поля в данных соединениях могут быть объяснены только участием этих г/-электронов в косвенном обмене РЗМ- /?е . Исходя из вышесказанного, вккачестве электронов проводимости, через которые осуществляется косвенный обмен между 4 У -ионами, будем выбирать 3#-электроны, принадлежащие а-подсистеме /247 Именно малость радиуса 4 У -слоев делает в известном смысле проблему 4У -металлов более простой, чем Ъс/-металлов, где, как уже отмечено, имеют место большие трудности, связанные с вышеупомянутым дуализмом локализация-коллективизация Zu. -состояний. Обменное взаимодействие РЗМ-3 2-металл (с/-г/-обмен) будем описывать с помощью гамильтониана Вонсовского fob] Cfys в приближении РККИ, а именно: где J - интеграл cf-J -обмена, S (г-#) -дельта-функция. Таким образом, из выражений (2.II) - (2.12) видно, что в рассматриваемой модели пошмо температуры Кюри появляется еще од на характерная температура 77 = ST/ \& .Температу рная зависимость намагниченностей для обеих подсистем при 7" 77 подчиняется закону 7 $ (закону Блоха/i/ ). при Tz Т Т# упомянутая зависимость для а -подсистемы остается почти неизменной, а для У-подсистемы она определяется молекулярным полем, действующим со стороны а-подсистемы, т.е. в -подсистеме отклонения от закона Блоха проявляются при температурах, значительно меньших температуры Кюри. В работе /26/ в рамках теории молекулярного поля установлено наличие в соединениях Og- характерной температуры, обусловленной обменным взаимодействием между подрешетками,и показано, что при низких температурах, далеких от данной характерной температуры, намагниченности обеих подрешеток, судя по экспериментальным исследованиям /2] , не могут описываться молекулярным полем. При этом использована двухподрешеточная модель. Итак, учитывая (2.II) - (2.12), молшо утверждать, что упомянутый факт из /26/ является свидетельством в пользу ОШМ с точки зрения применения ее для описания интерметаллидов P3M-3 z -металл. Здесь мы будем исходить из наличия малых параметров ft////U (сильная кулоновская корреляция) и Т//ity/ . В отличие от предыдущего случая в данном параграфе одноионное взаимодействие на CL -центре считается сильным, а на у -центре - по-прежнему слабым. В силу этого, расцепление ФГ высших порядков, описывающих одноионное взаимодействие на -центре, в ПСФ становится несправедливым. Последнее мы будем применять к ФГ высших порядков, описывающим процессы перескока -электронов, поскольку эффекты коллективизации данных электронов считаются слабыми. Мы предпола - 36 Рис. 2 Температурная зависимость полной намагниченности и намагнйченностеи подсистем изотропной ОМФМ; T =l/Ks 9 A/ /ffJ/ffJ гаем, что S произвольный (но постоянный для данной системы) и, следовательно, парамагнитный У -ион имеет фиксированную мульти-плетность Л S-/-1 . Итак, мы будем рассматривать пшрокозонные с/-/ -магнетики с сильным ферромагнетизмом в /-подсистеме /36/ , используя при этом ,Y-операторы: /х Х A -X J-для а -подсистемы, [X ,Х Х J - для у-подсистемы. Введем в рассмотрение следующие ФГ: В первой группе ФГ (2.15) проводим расцепление в ЇЇСФ в силу наличия малого параметра / ////L/ » ФГ второй группы (2.16) отбрасываем из-за малого вклада двухмагнонных возбуждений — (з) в данной системе, а ФГ (2.17) G-ot&t рассматриваем на равных цравах с введенными ФГ. В результате для основных ФГ получаем следующую систему уравнений в удельном представлений (вместо G-огог/ рассматриваем Сг , ) Спектр элементарных возбуждений определяется полюсами ФГ (2.20), содержащими два типа особенностей. Первые обусловлены сингулярностями функций )g {) и %? СЕ) , определяющими энергию свободных электрон-дырочных пар, равную Особенности другого типа соответствуют спиновым волнам, энергия которых определяется из уравнения 9 ? Cz)=o . при условии, что правая а.-подзона заполнена почти полностью ( sx zd, хх я О ), а левая -подзона почти пустая ( х ? я оР x"0 zj), перестановочные соотношения для X -операторов, описывающих -подсистему feti] X Х , + X , X - W("V f / (2.21) совпадают с таковыми для одночастичных фермиевских операторов о/в- ог е & (2.22) Следовательно, /Z & в рамках данных условий представляет собой функцию Ферми-Дирака. С учетом (2.21) и (2.22) уравнение для энергии спиновых волн примет следующий неявный вид: - аГ) + - fe)= (2.23) где - 42 -4(E) = JLJ Яр (С) + 7 S% &j Формально решения уравнения (2.23) можно записать в следующем виде: А - = Ш +2 ) + ї (Л ± А л «.24, При о —О из (2.24) следуют следующие выражения для энергетических щелей акустической и оптической ветвей спиновых волн: I) &= О ; 2) z = / + &"!/). (2.25) Решая уравнения (2.24) методом итераций, взяв в качестве нулево &» (о) _ го приближения АО » и используя наличие малого параметра / 3вг » где - = Ъ # гг » /1р и /77р - число заполнения и масса дырок соответственно, для спин-волновых ветвей получим следующие приближенные выражения: =/77d // -/-eS/ J / // / lC? XSWff/fy+tSrtj) (dvZ-JllCfgJ (2.26) - 43 где Jf=fZ( / - ) , Исходя из выражений для ФГ (2.20) и спектра спиновых волн (2.26), определим среднее число -магнонов /V, . Применяя правило умножения (1.5), убеждаемся в том, что Л// есть среднее число перевернутых /-спинов, т.е. среднее число электронов в левой -подзоне: = К" Х - Xj С ДРУГОЙ стороны, 4 можно определить, используя спектральную теорему /34, 35, 4Ґ/ для &, &,, S результате для искомой величины получим следующее выражение: где /% /% - // - Zb){4 ty-"!j e9ty Аналогичным образом можно определить средние числа заполнения уровней у -иона /? . Для этого следует рассмотреть дру-гой набор ФГ, эквивалентных введенным ФГ (2.13): ЙС / «SL. , / "/47 V 7 . Используя формулы (1.10) и правило умножения (1.5), получим следующее соотношение: ss x« -г л - 77 M+ j f . _ (2.29) Далее,применяя спектральную теорему /34, 35, 4і7 для ФГ X / So,,P будем иметь г кх?" " - tsAffc - ") I /%%к%;7, 2-зо где ) -[{?-&"и№# -ъ?Я srs M-Щ лНА Из сравнения (2.28) и (2.29) получим следующую реккурентную формулу: у -магнонов. Используя выражения для /У и /У , можно определить наманниченности / и / соответственно. Достаточно отметить, что температурная зависимость последних в предельных случаях, рассмотренных в предыдущем параграфе, описываются соответствующими формулами (2.II) и (2.12) лишь с тем различием, что постоянные, входящие в них, перенормируются в соответствии с условиями данной задачи. Заметим, что,исходя из найденных законов дисперсий спиновых волн в изотропной ОШШ, можно определить область устойчивости спиновых волн (магнонов) в системе /il-4&J . Однако этот вопрос здесь не будет рассматриваться. Наряду с малыми параметрами Zf/M/y/ и 2/ /z/J/ , исполь зованными в параграфе I главы 2, здесь мы будем вводить малые па раметры / / /у/ (слабая анизотропия -подсис темы относительно ширины г-зоны), _Z"/ v (слабый а—У-об мен по сравнению с анизотропией У -подсистемы) и y/Z/ (сла бая анизотропия / -подсистемы относительно эффектов корреля ции). Указанные малые параметры соответствуют тому, что однойон ные взаимодействия на -центрах являются слабыми (по отношению к ширине зоны), что дает основаниепри рассмотрении ФГ высших по рядков, описывающих данные взаимодействия, использовать аппрокси мацию типа ПСФ /34, 35, 41у В результате рассматриваются толь ко первые ФГ (теория первого порядка /35/ ). Однойонные взаимо действия на У-ц.н.рах.в ивоположнооть -подсистеме, являются сильными (по отношению к межподрешеточному обмену). Поэто му при расчете соответствующих ФГ высших порядков будем использо вать точные кинематические соотношения для спиновых операторов, которые определяются из условия слу чае S=-d , который будем рассматривать здесь, указанное кинематическое соотношение имеет вид / 3/ & $ . При этом наряду с первыми ФГ рассматриваются и вторые ФГ (теория второго по рядка /35у ). Таким образом, рассматриваемая нами система пред ставляет собой широкозонный &—J -магнетик, каждая подрешетка которого обладает собственной ОА, и в /-подсистеме последнего осуществляется слабый ферромагнетизм. Будем предполагать, что d О , /Сг У О (анизотропия типа "легкая ось") /Ьі]. Для расчета спектра элементарных возбуждений будем исходить из ФГ (2.1), введенных при рассмотрении изотропной ОМФМ, /-подсистема которой описывается в приближении слабой связи. Составив уравнения движения для них на основе гамильтониана (1.4), убеждаемся в том, что в цепочке уравнений помимо введенных ФГ появляются и высшие ФГ, которые условно можно разбить на две группы. Если компоненты спиновых операторов, стоящие в левой части ФГ, для одной группы относятся к разным узлам (двухузельные ФГ), то для другой группы они относятся к одному и тому же узлу (одно-узельные ФГ). Появление последних связано с одноионными взаимодействиями в системе, т.е. с ZT, 3 /, Я » а двухузельные ФГ обусловлены процессами перескока -электронов, т.е. Применимость расцепления в ПСФ к двухузельным ФГ очевидна: корреляция компонент спиновых операторов на разных узлах слаба, поэтому ею можно пренебречь. Такой подход к одноузельным ФГ, вообще говоря, не справедлив, т.к. упомянутая корреляция становится существенной /62/ . Однако наличие малых параметров Ull ijl и ty/ tjl П03В0ляет применить расцепление в ПСФ к одноузельным ФГ типа a/d . Подобный подход к одноузельным ФГ типа а/ и Jt/ ввиду наличия малого параметра Т/M/j/ также справедлив. Здесь мы не интересуемся улучшением расцепления в ПСФ, имеющим место в случае ферромагнетиков со слабой ОА (см., например, расцепление Лайнса /вЗ/ ). Относительно одноузельных ФГ типа У/ мы поступаем следующим образом. Из-за сильной ОА с/ -подсистемы вынуждены рассмотреть одноузельные ФГ С22 -на равных правах с введенными ФГ. Следовательно, в цепочке уравнений появляются третьи ФГ, которые при помощи вышеупомянутого точного кинематического соотношения приводятся к первым ФГ. Далее, применяя к ФГ фурье-преобразования (2.6) и решая соответствующую систему уравнений, для фурье-образов искомых ФГ получим следующие выражения: Уравнения (4.5), как видно, носят интерполяционный характер. Их можно использовать для исследования температурных зависимостей намагниченноетей подрешеток (следовательно, суммарной намагниченности) рассматриваемых магнетиков в широком интервале температур от ОК до точки Кюри 7/ . Однако этот вопрос требует численного анализа и здесь не рассматривается. В данном параграфе мы рассмотрели случай продольного поля, т.е. когда внешнее магнитное поле // направлено вдоль легкой оси намагничивания. Если же направить // вдоль трудной X -оси намагничивания, то рассматриваемая задача в известной степени усложняется /41, 64, 657 ПРИ этом для определения спектра элементарных возбуждений и параметров порядка следует исследовать другие, отличные от введенных в данной задаче, ФГ, а именно два эквивалентных набора ФГ: { ?$//sj & SA І fo/k» o A/sA:»}; ( %;/&, , «%;/-, , s//&Al 9 4? SA // л,у } Расчет этих ФГ показывает, что спектр спиновых волн в поперечном поле имеет вид корневой зависимости, а концентрации магнонов, в отличие от случая продольного поля, приобретают существенно другие значения /бі/ . Здесь наряду с малыми параметрами /ij/JlJ и j/ l"yj , использованными в параграфе 2 главы 2 при описании изотропной ОШМ, и -подсистема которой описывается в приближении сильной связи, мы будем вводить малый параметр J/ Kf . Как уже отмечено, применение X -операторов приводит к тому, что одноионные члены гамильтониана диагонали зируются (кроме d-f -обменного). Сказанное в равной мере справедливо и для одноионных членов гамильтониана, описывающих ОА. В результате этого устраняются трудности, связанные с нахождением одноузельных ФГ высших порядков, имеющие место при определении ФГ в параграфе I данной главы. Известно, что в простом изотропном гейзенберговском ферромагнетике существует одна ветвь спиновых волн (акустическая ветвь), которая исчезает в точке фазового перехода в парамагнитное состояние /І, 4lJ . Это обстоятельство связано с эквидистантностью энергетических уровней магнитоактивного иона во внешнем магнитном поле. Еще в работе /?о/ было показано, что наличие ОА в таком ферромагнетике приводит к появлению ZlS-d. дополнительных ветвей спиновых волн (оптических ветвей). Физический механизм, обусловливающий возникновение дополнительных ветвей, интерпретируется следующим образом. Предположим, что мы имеем парамагнетик с ОА, каждый ион которого имеет мультиплетность Тогда свободные спины, находящиеся в поле анизотропии и во внешнем магнитном поле, вследствие неэквидистантности энергетических уровней имеют несколько энергий возбуждений, соот-ветствующих переходу спина их состояния с некоторым S в со-стояние с S ±d . При "включении" обменного взаимодействия, как известно из зонной теории твердых тел /38j , возникнут «S ветвей спиновых волн. Интенсивность S 1 из них при У-? О экспоненциально убывает (вычеты в соответствующих полюсах ФГ обращаются в нуль), однако сами ветви (полюса ФГ) существуют и при 7 = , и их можно обнаружить при помощи какого-нибудь механизма, например, при внешней накачке [l] . Теперь проведем аналогичные рассуждения для нашей системы -двухподрешеточных ферромагнетиков с ОА в каждой подрешетке (0Ш?М с ОА). Обменное взаимодействие в CL -подсистеме представляет -собой комбинированное действие внутриатомных корреляций и процессов перескока -электронов, а в J -подсистеме осуществляется механизм косвенного обмена через /-электроны. Эффективное поле анизотропии / (т) состоит из двух вкладов, внесенных обеими подрешетками. Для данных соединений его можно представить в виде /%. (т) — -Kt/tfy / - Однако ввиду того, что / / /s л, -//) 5 » величина /-/. fr) преимущественно обусловлена анизотропией J -подсистемы. Поэтому число спин-волновых ветвей в данной системе, связанных с ОА (оптических ветвей), равно таковому в простом ферромагнетике с ОА, рассмотренном выше. Одна ветвь, разумеется, связана с d -обменом (она существует и в изотропной модели /42/ ). При S=d парамагнитный ион РЗМ имеет триплетное состояние /// , /о , /- } , где /їУ, /о}, /-d - соответствующие векторы основного и возбужденных состояний /її] . Б данном случае вектор состояния ферромагнитного кристалла представляет собой несимметричную линейную комбинацию указанных векторов состояний. При конечных температурах между возбужденными состояниями системы, заселенности которых становятся отличными от нуля, происходит переход, что и определяет "генезис" вышеполучен-ной дополнительной ветви спиновых волн (см. формулы (4.4) и (4.9)). Рассмотрение С?-подсистемы ОШМ с ОА в двух противоположных предельных случаях (в приближениях слабой и сильной связи) приводит лишь к различным значениям спин-волновых жестокостей (эффективных масс) магнонов в указанных пределах. Для магнетиков с ОА имеется более общая постановка задачи, когда величина спина S и направление внешнего магнитного поля -7» // относительно кристаллографических осей произвольны. Однако однойонную задачу в такой постановке точно решить не удается. Поэтому прибегают к частным случаям, фиксируя или одновременно и S - 80 -и направление /V /72, 73, 74, 75, 76 7 , или лишь направление // /61, 65, 66.7 » или же только величину S /77, 78j . В данной диссертации рассмотрены первые два случая. В заключение отметим следующие три обстоятельства. Во-первых, при нахождении спектров спиновых волн (4.4) и (4.9) мы воспользовались наличием малого параметра J /KJ (слабый обмен относительно анизотропии /797 ). Эти спектры в рамках данной задачи можно искать и при любом значении указанного параметра. Во-вторых, при изучении ОМШ с ОА мы исходили из наличия того или иного нулевого гамильтониана. Однако ее можно исследовать и в самосогласованном виде, воспользовавшись, например, методом неприводимых ФГ /80j. И, наконец, как в изотропной, так и в анизотропной ОШМ, мы рассмотрели широкозонный случай (слабый обмен относительно эффективной ширины зоны). Однако, выбрав соответствующие ФГ, в рамках данной модели можно исследовать и узкозонные магнетики, напри-Мер, магнитные полупроводники и металлы типа хромовых шпинелей /"81, 82J . 1. Рассчитан спектр спиновых волн в 0Ш/І с ОА в широком интервале температур с учетом вклада от возбужденных состояний. 2. Показано, что в отличие от низкотемпературной ОШМ с ОА, исследованной в предыдущей главе, в данном случае в спектре спиновых волн при S-d , где S - величина спина отдельного иона У-подсистемы, появляется третья ветвь, связанная с переходом между возбужденными состояниями. 3. Получены самосогласованные выражения, определяющие температурную зависимость намагниченностей /- и У-подсистем в рассматриваемом случае.Обзор методов, применявшихся для расчета магнитных характеристик соединений РЗМ-3-металл
Изотропная ^/-подсистема в приближении сильной связи. Случай произвольного 3
Анизотропная ОШМ типа "легкая ось" в поперечном магнитном поле
Анизотропная
Похожие диссертации на Теория элементарных возбуждений в обобщенной модели ферромагнитного металла