Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ЭПР - СПЕКТРОСКОПИЯ ОПТИЧЕСКИ ВОЗБУЖДЁННЫХ СОСТОЯНИЙ АКТИВИРОВАННЫХ ИОННЫХ КРИСТАЛЛОВ ( ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ) 8
1.1 Метод двойного радио- оптического резонанса . 10
1.1.1 Прямое СВЧ поглощение II
1.1.2 Оптическое детектирование магнитного резонанса . 13
1.1.2.1 Магнитный резонанс регистрируемый по поглощению . 14
1.1.2.2 Магнитный резонанс регистрируемый по излучению . 15
1.1.2.3 Эффект обменного |Йзаимодействия основное-возбуждённое состояние в паре. Р - центров 18
1.2 ЭПР возбуждённых состояний ионов переходных металлов 19
1.1.1 Ионы 3d - металлов 19
1.2.1 Редкоземельные ионы 25
1.3 Влияние сильного лазерного излучения на магнитные свойства в EuCrO- 27
1.4 Выводы и постановка задачи 29
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА, ПРИГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ, АНАЛИЗ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ КРИО- СИСТЕМЫ 31
2.1 Оптическая часть 31
2.2 Спектрометр электронного магнитного резонанса . 35
2.3 Приготовление образцов 38
2.4 Анализ теплового состояния криосистемы 40
2.4.1 Расчёт 41
2.4.2 Эксперимент 44
2.4.3 Результаты и обсуждение 47
2.5 Основные результаты 52
ПЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ОПТИЧЕСКИ ВОЗБУЖДЁННЫХ СОСТОЯНИЙ ИОНОВ ГОЛЬМИЯ НА МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС В ИТТРИЕВОМ ФЕРРИТЕ-ГРАНАТЕ 53
Магнитные, резонансные и оптические свойства кристалла 53
Энергетическая структура ионов гольмия в структуре граната 58
Влияние импульсного лазерного излучения на магнитный резонанс 60
Влияние непрерывного лазерного излучения на магнитный резонанс 68
Эксперимент 68
Расчёт параметров магнитного резонанса в кристалле иттрий-гольмиевого феррита-граната и их изменения при оптическом возбуждении ионов гольмия 73
Результаты и обсуждение 83
Выводы 93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 95
ЛИТЕРАТУРА
- Метод двойного радио- оптического резонанса .
- Оптическая часть
- Магнитные, резонансные и оптические свойства кристалла
Введение к работе
Актуальность темы. Значительные успехи достигнутые в области квантовой электроники поддерживают непрекращающийся интерес к поиску новых материалов, пригодных для использования, а также стимулируют работы на поиск эффектов, перспективных для устройств. На современном этапе развития физики появился интерес к изучению физических систем, находящихся в неравновесных состояниях. В этой связи особое место занимает изучение взаимодействия твёрдых тел с полем электромагнитного излучения, а именно: I) изменение характеристик излучения после взаимодействия с веществом и 2) изменение состояния и параметров вещества в результате воздействия излучения.
Оптический диапазон излучения отличается тем, что в этот диапазон попадают разности энергий, соответствующих различным орбитальным состояниям атомов и ионов. В то же время, магнитные свойства материалов зависят от того, в каком электронном состоянии находятся комплексы или центры, ответственные за магнитные свойства.
Возможность управлять магнитными характеристиками кристал-лав путём воздействия оптического излучения давно привлекает исследователей к этой интересной проблеме. Однако из-за аппаратурных трудностей и нетривиальности выбора подходящего объекта исследования, проблема ещё не вышла за чисто академические рамки.
В настоящей работе речь пойдёт о влиянии оптически возбуждённых состояний на магнитные свойства в системе локализованных моментов. При этом не будут затрагиваться вопросы, связанные с фотомагнетизмом магнитных полупроводников [75] , а также эффекты, типа фотомагнитного отжига [7б] , поскольку в последнем случае суть дела не во влиянии оптически возбуждённых состояний, а в пе- рераспределении локализации некоторых магнитных центров ( например Fe2+ в Y3Pe5012 : Si4+ ).
Поскольку при оптическом возбуждении магнитное состояние ионов и обменные взаимодействия могут коренным образом изменяться, ясно, что и основное состояние может кардинально меняться в самых разнообразных вариантах. При этом новое магнитное состояние может иметь место либо в условиях динамического равновесия с оптической накачкой, либо оказаться метастабильным.
Метастабильное оптически возбуждённое состояние характеризуется стабильностью ( при достаточно низких температурах ) в условиях снятия оптической накачки. Ясно, что оно может быть как коллективным, т.е. иметь характер фазового перехода [38,39,40] , так и носить одноионный характер.
Оптически возбуждённые состояния в условиях динамического равновесия имеют ряд специфических особенностей. Поведение таких систем будет определяться соотношением времени оптической релаксации и времени релаксации между магнитными подуровнями основного и возбуждённого состояний. К подобным материалам применимы все требования, предъявляемые к лазерным кристаллам.
Именно изучению одного из магнитоупорядоченных лазерных кристаллов ^зРе5012 :Н посвящено данное исследование.
Цель работы. Цель настоящей работы состояла в изучении поведения магнитной системы в условиях, когда одна из её подсистем находится в состоянии, недостижимом в нормальных условиях никаким путём, кроме оптического возбуждения.
Научная новизна. Методом двойного радио-оптического резонанса впервые обнаружено влияние оптически возбуждённого состояния ^i ионов Но-5"*" на магнитные свойства в магнитоупорядоченном лазерном материале Y3Pe5012 г Но-5"*" . Проведено экспериментальное и теоретическое исследование изменения параметров магнитного резо- нанса в условиях оптической накачки. Объяснены также особенности угловых и температурных зависимостей резонансного поля и ширины линии монокристалла ї^^іг г Но3+ для случая, когда внешнее магнитное поле лежит в плоскости типа (ПО), в отсутствие накачивающего излучения. Автор защищает: спектрометр двойного радио-оптического резонанса, позволяющий проводить изучение как влияния оптического излучения на магнитный резонанс, так и влияния магнито-резонансных переходов на прохождение оптического излучения через исследуемый образец; экспериментальное и теоретическое исследование изменения параметров магнитного резонанса в Y3Pe^012 : Но^ обусловленное переходом части ионов Но3+ в оптически возбуждённое состояние при импульсном воздействии и при накачке лазером непрерывного действия; - объяснение особенностей угловых и температурных зависимос- тей резонансного поля и ширины линии монокристалла Y^Pe^012 : Но^ в основном состоянии.
Практическая ценность. Результаты исследований позволяют глубже понять механизмы формирования и изменения магнитных свойств когда существуют центры, находящиеся в оптически возбуждённых состояниях. Этот вопрос является важным как при создании электронных устройств, содержащих магнитные элементы, управляемые воздействием оптического излучения, так и в связи с проблемой создания квантовых генераторов, управляемых магнитным полем. Рекомендации и выводы, сделанные в работе, могут быть использованы в планировании и проведении новых экспериментов.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 104^ страницах машинописного текста, включая
29 рисунков и 4 таблицы. Библиографический список содержит 76 наименований.
Первая глава является обзорной. В ней приведены результаты исследований оптически возбуждённых состояний методом двойного радио-оптического резонанса, главным образом, парамагнитных центров в ионных кристаллах.
Во второй главе дано описание и принцип действия созданного спектрометра двойного радио-оптического резонанса. Описана методика приготовления образцов. Приведён вспомогательный материал по расчёту и экспериментальным данным теплофизических характеристик криостата с образцом при низких температурах при наличии внутреннего источника тепла.
Третья глава содержит результаты теоретического и экспериментального исследования оптически возбуждённых состояний ионов гольмия на параметры магнитного резонанса в иттриевом феррите-гранате .
В заключении подводятся итоги исследования.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на: 2— Всесоюзном семинаре по оптическому детектированию магнитных резонансов в твёрдых телах ( г.Телави, 1983г. ); 16^ Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений ( г.ТУла, 1983г. ); Всесоюзной конференции по магнитному резонансу в конденсированных средах ( г.Казань, 1984г. ); 2^2. Международной конференции по физике магнитных материалов ( Польша, г.Ядвисин, 1984г. ).
Метод двойного радио- оптического резонанса .
Метод ДРОР первоначально развивался применительно к задачам атомной спектроскопии и в первые был реализован экспериментально Бросселом.и Биттером для изученич уровня Pj атомов ртути.
Характерной особенностью данного метода является то, что исследуемый образец находится в поле двух сильно различающихся по частоте излучений: оптического (9-Ю Гц ) и радио-частотного (и; І0іиГц ). Как правило, ширина линии оптического поглощения значительно больше энергетического расщепления, вызванного магнитной анизотропией и взаимодействием спина с магнитным полем. Это обстоятельство накладывает определённые ограничения на способы детектирования возникающих в системе изменений.
Для того, чтобы понять основные особенности метода ДРОР и его возможности, рассмотрим модель активного центра, обладающего в основном и оптически возбуждённом состояниях спином р =1/2.
Эта модель не лишена реального смысла, и её применяют для описания состояний F -центра ( электрон в поле положительно заряженной вакансии ) или для описания орбитально невырожденных состояний ионов с конфигурациями d1 , а , f1 , f1 ( ионы, находящиеся в кристаллическом поле достаточно низкой симметрии ).
На Рис.1 приведена схема энергетических уровней и возможные переходы между ними для данной модели. Для определённости будем считать, что уровень, соответствующий состоянию т j, является ме-тастабильным и лежит ниже дна зоны собственного поглощения матрицы fg» и между Р Q и 4 1 возможны прямые переходы. Пусть, направление распространения оптического луча совпадает с направлением магнитного поля. В такой геометрии имеет смысл рассматривать только циркулярно поляризованное излучение. Индексы I и 2 в обозначениях переходов соответствуют "левой" и "правой" круговым поляризациям. Переходы 1- 2 и 3- 4 являются магнито-резонансными.
Оптическая часть
Оптическая часть служит для накачки возбуждённых состояний, однако можетбыть использована и для регистрации магнито-оптичес-ких эффектов. В последнем случае используется методика, основанная на поляризационной модуляции проходящего света [44].
Неотъемлемым элементом такой методики является оптический
Блок-схема спектрометра двойного радио -оптического резонанса. 1 - СВЧ генератор, 2 - вентиль, 3 - аттенюатор, 4 - циркулятор, 5 - СВЧ детектор, б - частотомер, 7,10 - селективные усилители, 8 - двухкоординатный самописец, 9 - фотоприёмник, II - двухлуче-вой осциллограф, 12 - измеритель магнитного поля, 13 - электромагнит, 14 - источник света, 15 - криостат, 16 - монохроматор, Pj,P - поляризатор и анализатор, F - фазовый модулятор, визуализатор инфракрасного излучения, L; - система линз. мо,пулятор: либо Фарадеевский, либо фазовый. Использование того или иного модулятора определяется свойствами иссле,пуемого образца, а также измеряемой характеристикой ( угол поворота плоскости поляризации, эллиптичность из-за набега разности фаз ). Нами были изготовлены оба вида модулятора.
Фарадеевский модулятор ( Pj ) представляет из себя элек-тро-механическую систему, где поляризатор Аренса помещён в обойму, которая крепится на пластинчатых пружинах к оправке. К образующей обоймы через 90 приклеены четыре магнита. Эти магниты помещаются в зазоры между четырьмя катушками. Когда на катушки подаётся напряжение от звукового генератора происходит качание плоскости поляризации. Модулятор имеет несколько собственных частот в диапазоне 20 80 Гц. Чувствительность регистрации Фараді деевского вращения порядка 10 гра,пуса.
Магнитные, резонансные и оптические свойства кристалла
а) Кристалл Y3Fe5i2 относится к кубической группе симметрии ( точечная группа симметрии W 3 ПО ) и имеет сложную кристаллическую структуру. Элементарная ячейка феррита-граната ( ребро а = 12,3 А ), включающая восемь формульных единиц, содержит 24 иона Y3+( С - подрешётка, симметрия узла D2 » шесть неэквивалентных позиций ), 16 ионов Fe3 в октаэдрах ( а - подрешётка) и 24 иона Fe- + в тетраэдрах ( d - подрешётка ).
При введении в кристалл редкоземельных ионов, они занимают додекаэдрические позиции, замещая ионы иттрия.
В магнитном отношении редкоземельные ферриты-гранаты принято рассматривать в рамках модели трёхподрешёточного ферримагнетика: а- и d - подрешётки взаимодействуют антиферромагнитно, образуя суммарный магнитный момент MQ, а момент с - подрешётки взаимо 54 действует антиферромагнитно с MQ. Обменное взаимодействие между a- Hd - подрешётками является самым сильным, определяя температуру магнитного упорядочения Тс = 560 К, а обмен редкая земля - железо-относительно слабым. Молекулярное поле "железной" подсистемы, действующее на редкоземельный ион в Ho3Fe,-Oi2 , составляет 125 КЭ.
Намагниченность MQ чистого иттриевого феррита-граната при температурах ниже 80 К почти не зависит от температуры, и в дальнейшем в этой области будем считать её константой.
Магнитная кристаллографическая анизотропия монокристалла Y3Pe512 является кубической с четнрьмя осями легкого намагничивания типа [ill] . При низких температурах она хорошо описывается в однотонном приближении [54] и имеет вид: кх(т) « кх(о) М(Т)1(1 + 1)/2 (3.1) здесь 1 - степень полинома гармонического разложения анизотропной энергии, м(Т) - намагниченность, как функция температуры.
Даже небольшие добавки ионов гольмия очень сильно изменяют анизотропные свойства иттриевого феррита-граната. Энергия магнитной кристаллографической анизотропии по своему происхождению также является одноионной, однако имеет более сложный вид, и её вели-то чина в расчёте на один ион гольмия при Т = 4,2 К - порядка І0""іО эрг. Она является бнстроспадающей функцией температуры.
Похожие диссертации на Влияние оптически возбужденных состояний ионов гольмия на магнитный резонанс в иттриевом феррите-гранате
