Експериментальне дослідження впливу багатопідграткової магнітної структури на фононні спектри кристалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

01.04.11 - Магнетизм

Експериментальне дослідження впливу багатопідграткової магнітної структури на фононні спектри кристалів

Цапенко Вадим Вікторович

Харків - 2001

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б.І. Веркіна НАН України, м. Харків

Науковий керівник:

кандидат фіз.-мат. наук, старший науковий співробітник Пішко Віталій Володимирович, ФТІНТ НАН України, старший науковий співробітник

Офіційні опоненти:

доктор фіз.-мат. наук, старший науковий співробітник Любчанський Ігор Леонідович, ДонФТІ НАН України, провідний науковий співробітник

доктор фіз.-мат. наук, старший науковий співробітник Андерс Олександр Георгійович, ФТІНТ НАН України, провідний науковий співробітник

Провідна установа:

Харківський Національний університет ім. В.Н. Каразіна, фізичний факультет, кафедра загальної фізики, Міністерство освіти і науки України, м. Харків

Вчений секретар спеціалазованої ради, доктор фіз.-мат. наук Ковальов О.С.

Анотація

магнітний поле спектральний коливання

Цапенко В.В. Експериментальне дослідження впливу багатопідграткової магнітної структури на фононні спектри кристалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.11 - “Магнетизм". - Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна, Харків, Україна, 2001.

Експериментально досліджений вплив багатопідграткової магнітної структури на механізми формування фононних і магнонних збуджень кристалів в далекій інфрачервоній області спектра. Як об'єкти дослідження вибрані кристали Nd₂CuO₄, La_1,775Sr_0,225NiO₄ і BaFe₁₂O₁₉, що демонструють різні властивості при пониженні температури.

У магнітовпорядкованій фазі кристала Nd₂CuO₄ при пониженні температури виявлені лінії однофононного інфрачервоного поглинання. Досліджений вплив зовнішнього магнітного на ці лінії і встановлено, що мультиплікація елементарної комірки кристала пов'язана з магнітним фазовий переходом, а структурні спотворення в Nd₂CuO₄ при його охолоджуванні аж до 150 К не виникають.

У далекій інфрачервоній області спектра досліджені спектри відбивання кристалів La_1,775Sr_0,225NiO₄. Встановлено, що при пониженні температури і утворенні страйп-структури виникають додаткові лінії фононного поглинання, на які впливає зовнішнє магнітне поле.

У інтервалі температур 300 - 15К виміряні інфрачервоні спектри відбивання кристалів гексафериту BaFe₁₂O₁₉. Встановлено, що спектральні компоненти на частотах 380, 435 і 465 см^-1 випробовують вплив зовнішнього магнітного поля. Вони ідентифіковані як фонон-магнонні збудження.

Ключові слова: інфрачервона спектроскопія, фазовi переходи, магнітна структура, магнон-фононна взаємодія.

Аннотация

Цапенко В.В. Экспериментальное исследование влияния многоподрешеточной магнитной структуры на фононные спектры кристаллов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.11 - “Магнетизм”. - Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина, Харьков, Украина, 2001.

Экспериментально исследовано влияние многоподрешеточной магнитной структуры на механизмы формирования фононных и магнонных возбуждений кристаллов в дальней инфракрасной области спектра. В качестве объектов исследования выбраны кристаллы Nd₂CuO₄, La_1,775Sr_0,225NiO₄ и BaFe₁₂O₁₉, демонстрирующие различные свойства при понижении температуры. Измерения выполнены методом фурье-спектроскопии в дальней инфракрасной области спектра, в которой расположены частоты основных элементарных возбуждений, формирующих энергетический спектр исследованных кристаллов.

Поскольку все исследовавшиеся кристаллы в дальней инфракрасной области спектра практически непрозрачны, в эксперименте регистрировались спектры отражения, которые затем обрабатывались с помощью процедуры Крамерса-Кронига. В работе исследовались спектры отражения от xy-плоскости образца при почти нормальном падении излучения.

При магнитных фазовых переходах, сопровождающихся n - кратной мультипликацией исходной ячейки, зона Бриллюэна становится в n - раз меньше зоны Бриллюэна парамагнитной фазы. При этом состояния, отвечающие квазичастицам, принадлежавшим ранее точкам границы зоны Бриллюэна парафазы, оказываются в центре возникающей зоны Бриллюэна магнитоупорядоченной фазы. Часть таких состояний оказывается доступной для наблюдения методами инфракрасной спектроскопии, что определяется их симметрией. Они также чувствительны к воздействию внешнего магнитного поля, приводящего к перестройке магнитной структуры.

В магнитоупорядоченной фазе кристалла Nd₂CuO₄ при понижении температуры обнаружены линии однофононного инфракрасного поглощения. Они обусловлены колебаниями, которые формируют фононы на границе зоны Бриллюэна парамагнитной фазы кристалла.

Рассмотрение механизмов поглощения инфракрасными фононами после магнитного упорядочения проведено, опираясь на группу симметрии парамагнитной фазы. В этом случае любая магнитная фаза, возникающая из исходной парамагнитной, может быть описана в рамках единого подхода. Кроме того, такое рассмотрение позволяет указать тип магнитных взаимодействий, которые приводят к наблюдаемым эффектам.

Исследовано влияние внешнего магнитного на эти линии и установлено, что мультипликация элементарной ячейки кристалла связана с магнитным фазовым переходом, а структурные искажения в Nd₂CuO₄ при его охлаждении вплоть до 150 К не возникают.

Различные кристаллы редкоземельных оксидов в последнее время интенсивно исследуются в связи с тем, что варьирование их химического состава приводит к принципиальным изменениям их характеристик - от высокотемпературной сверхпроводимости до гигантской анизотропии транспортных свойств носителей тока.

В дальней инфракрасной области спектра исследованы спектры отражения кристаллов La_1,775Sr_0,225NiO₄ и изучены особенности оптической проводимости. Электронная подсистема этих кристаллов демонстрирует свойства зарядового страйп-упорядочения.

Понижение трансляционной симметрии при страйп-упорядочении может приводить к появлению новых линий в спектре инфракрасного поглощения. Если период страйпа соизмерим с постоянной решетки, то в этом случае элементарная ячейка мультиплицируется. Тогда можно указать все точки на границе исходной зоны Бриллюэна, откуда должны появиться новые линии. Если период страйпа не соизмерим с постоянной решетки, то тогда новые линии возникают из точек внутри зоны Бриллюэна, которые соответствуют волновому вектору страйпа.

Однако не только появление дополнительных линий является следствием возникновения страйп-структуры. Понижение трансляционной симметрии, связанное со страйп-упорядочением, сопровождается также и понижением вращательной симметрии. Поскольку наблюдаемые в эксперименте E_u линии являются двукратно вырожденными, то следует ожидать, что после страйп-упорядочения двукратное вырождение этих линий должно сниматься, и должно наблюдаться расщепление этих линий.

Установлено, что в La_1,775Sr_0,225NiO₄ при понижении температуры и образовании страйп-структуры возникают дополнительные линии фононного поглощения, на которые оказывает влияние внешнее магнитное поле.

Кристаллы BaFe₁₂O₁₉ имеют сложную многоподрешеточную магнитную структуру, а спектр их магнитного резонанса содержит как акустические, так и обменные моды. Для ферро- и ферримагнетиков, коллинеарных в обменном приближении, число обменных мод равняется n-1, где n число магнитных подрешеток. Обычно в ферримагнетиках наблюдается одна мода так называемого ферромагнитного резонанса, которая в данной классификации является акустической.

В интервале температур 300 - 15 К измерены инфракрасные спектры отражения кристаллов гексаферрита BaFe₁₂O₁₉. Установлено, что спектральные компоненты на частотах 380, 435 и 465 см^-1 испытывают влияние внешнего магнитного поля. Они идентифицированы как фонон-магнонные возбуждения.

Ключевые слова: инфракрасная спектроскопия, фазовые переходы, магнитная структура, магнон-фононное взаимодействие.

Annotation

Tsapenko V.V. Experimental investigation of the many-sublattice magnetic structure influence on the phonon spectra of the crystals. - Manuscript.

Thesis for candidate's degree in physical and mathematical sciences by speciality 01.04.11 - "Magnetism". - B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering, Kharkov, Ukraine, 2001.

The influence of many-sublattice magnetic structures on the mechanisms of the phonon and magnon excitation were experimentally studied in far-infrared spectral region. Different crystals Nd₂CuO₄, La_1,775Sr_0,225NiO₄ and BaFe₁₂O₁₉ which demonstrates different properties under temperature lowering were used for the investigations.

In the magnetic ordering phase of the Nd₂CuO₄ under the temperature decreasing the lines of one-phonon infrared absorption were detected. The influence of external magnetic field on the new lines was studied. As a result it was detected that the multiplication of the elementary cell dealing with the magnetic phase transition and the structural distortions in Nd₂CuO₄ when cooling up to 150 K is absent.

In far-infrared spectral region the reflection spectra of La_1,775Sr_0,225NiO₄ crystals were studied and the optical conductivity investigation were fulfilled. It was founded that under the lowering temperature and stripe-structure rising an additional absorption lines appears, sensitive to the influence of the external magnetic field.

In the temperature range 300 - 15K the infrared reflection spectra of BaFe₁₂O₁₉ hexaferrite were measured. It was found that the spectral components at the frequencies of 380, 435 and 465 cm^-1 is under the influence of the external magnetic field. It was identified as a magnon-phonon excitations.

Key words: infrared spectroscopy, phase transitions, magnetic structure, magnon-phonon interaction.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Експериментальні дослідження властивостей кристалів, складних у стехіометричному відношенні і маючих багатопідграткову магнітну структуру, представляє великий інтерес як у зв'язку з фундаментальними аспектами розвитку фізики магнетизму, так і з необхідністю розв'язання прикладних задач при використанні таких кристалів у сучасній техніці. Традиційно магнітні кристали, що досліджувалися до останнього часу, можна розглядати як порівняно прості (модельні) системи - однепідграткові феромагнетики і двопідграткові антиферомагнетики. Однак вельми багато магнітовпорядкованих кристалів є набагато більш складними системами, що містять в елементарній комірці велике число магнітних іонів. Унаслідок цього закономірності, що отримуються в рамках одне- і двопідграткової моделей не відображають цілого ряду важливих властивостей кристалів із складною магнітною структурою. Саме такими є кристали BaFe₁₂O₁₉, Nd₂CuO₄ і La_1,775Sr_0,225NiO₄, вибрані в дисертаційній роботі. Сполука Nd₂CuO₄ є базовою для отримання ряду високотемпературних надпровідників, і тому дослідження його властивостей представляє чималий інтерес. Вивчення страйп-впорядкування в La_1,775Sr_0,225NiO₄ також представляє наукову зацікавленість у зв'язку із співіснуванням надпровідності й страйп-впорядкуванням у деяких ВТНП сполуках. Відмінною особливістю цих магнітних кристалів є сильна залежність їх функціональних (магнітних і транспортних) властивостей від зовнішнього магнітного поля, змінюючи яке, можливо досить просто керувати властивостями виготовлених із них пристроїв. Зміна їх стехіометричного складу дозволяє цілеспрямовано формувати їх властивості.

Методом дослідження в дисертаційній роботі вибрана фур'є-спектрометрія в далекій інфрачервоній (IЧ) області спектра, в якій розташовані частоти основних елементарних збуджень, що формують енергетичний спектр кристалів, що досліджувалися. Такі дослідження відрізняються відносно великим об'ємом даних, трудомісткістю й складністю навіть первинної обробки (нормування спектра, згладжування шумів, застосування інтегральних перетворень), а також підвищеними вимогами до систем зберігання й відображення інформації (каталогізація спектрів, графічне й табличне представлення результатів). Крім того, спектральні виміри, як правило, займають багато часу, тому необхідно мати можливість оптимальним шляхом вибирати параметри експерименту. Тому поставлена в дисертаційній роботі задача розробки методики спектральних досліджень у далекому інфрачервоному діапазоні в широкому інтервалі температур і при впливі зовнішнього магнітного поля також має актуальність.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дослідження за темою дисертації входили в план відомчої тематики ФТІНТ НАН України по темі 1.4.10.4.7 "Експериментальне і теоретичне вивчення термодинамічних, кінетичних і високочастотних властивостей магнітних систем і їх динаміки" (№ держ. регістр. 0195U009860), а також виконувались в межах проектів: "ДКНТ України № 91070 МИКС", МНФ № U2U000, INTAS № 96-0410.

Мета й задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є експериментальне визначення впливу багатопідграткової магнітної структури на механізми формування фононних і магнонних збуджень у далекій інфрачервоній області спектра. Для досягнення поставленої мети було необхідно вирішити наступні задачі:

1. З'ясувати вплив магнітного упорядкування на структуру низькоенергетичних фононних збуджень.

2. Визначити вплив магнітного упорядкування і зовнішнього магнітного поля на механізми зміни правил відбору збудження фононних коливань.

Об'єктом дослідження є вплив багатопідграткової магнітної структури на фононні спектри кристалів.

Предмет дослідження - кристали Nd₂CuO₄, La_1,775Sr_0,225NiO₄ і BaFe₁₂O₁₉.

Методом дослідження обрано інфрачервону спектроскопію.

Для рішення поставлених задач було необхідно:

1. Розробити методику і створити експериментальну установку для дослідження спектральних характеристик магнітовпорядкованих кристалів у далекому інфрачервоному діапазоні у зовнішньому магнітному полі і широкому діапазоні температур.

2. Виявити нові лінії в ІЧ спектрах Nd₂CuO₄, що походять із межі зони Бріллюена початкової парафази після переходу кристала в магнітовпорядкований стан. Визначити, яким чином впливає зовнішнє магнітне поле на ці нові лінії: породжує їх або придушує. Установити, що саме є причиною мультиплікації елементарної комірки: структурний фазовий перехід, який, можливо, передує магнітному упорядкуванню, або сам фазовий перехід у магнітовпорядкований стан.

3. Виявити нові спектральні лінії у La_1,775Sr_0,225NiO₄, пов'язані із зарядовим страйп-впорядкуванням, які можуть бути зумовлені як згортанням початкової зони Бріллюена відповідно до періоду страйп-структури, так і зняттям виродження основних фононних ліній. Установити, чи впливає зовнішнє магнітне поле на характеристики цих ліній і визначити, як пов'язане страйп-впорядкування з магнітною підсистемою кристала.

4. Визначити, чи є температурна залежність ліній ІЧ спектрів BaFe₁₂O₁₉. Виявити вплив зовнішнього магнітного поля на спектральні компоненти, пов'язані з наявністю в цьому кристалі обмінних мод магнітного резонансу.

Наукова новизна отриманих результатів. На захист виносяться наступні результати, що вперше отримані в цій дисертаційній роботі:

- в інфрачервоних спектрах кристала Nd₂CuO₄, що знаходився в магнітовпорядкованій фазі, виявлено лінії однофононного поглинання, зумовлені фононами, що походять із межі зони Бріллюена парамагнітної фази кристала. Виявлено вплив зовнішнього магнітного поля на ці нові лінії і визначено, що мультиплікація елементарної комірки кристала зумовлена магнітним фазовим переходом;

- в далекій інфрачервоній області спектра виміряні спектри відбиття, і експериментально дослiджена оптична провідність кристалів La_1,775Sr_0,225NiO₄, електронна підсистема яких демонструє властивості зарядових страйп-структур. Установлено, що при зниженні температури й виникненні страйп-впорядкування в інфрачервоних спектрах La_1,775Sr_0,225NiO₄ з'являються додаткові лінії, зумовлені цим страйп-впорядкуванням, на які впливає зовнішнє магнітне поле.

- в інтервалі температур 300 - 15 К виміряні інфрачервоні спектри відбиття кристалів гексафериту BaFe₁₂O₁₉. Виявлено, що спектральні компоненти на частотах 380, 435 і 465 см^_1 відчувають вплив зовнішнього магнітного поля. Ці компоненти можуть бути ідентифіковані як фонон-магнонні збудження.

Практична значимість отриманих результатів. Практична цінність роботи полягає в тому, що отримані в ній результати доповнили і багато в чому змінили уявлення, що існували про властивості багатопідграткових магнітних кристалів. Насамперед це відноситься до вивчення механізмів формування їх спектральних характеристик у далекій інфрачервоній області спектра. Ці результати можуть також сприяти рішенню прикладних задач, оскільки всі досліджені в роботі матеріали застосовуються або можуть бути застосовані в сучасних пристроях функціональної магнітоелектроніки. Так, кристали Nd₂CuO₄ є протофазою сімейства високотемпературних надпровідників, а La_1,775Sr_0,225NiO₄ демонструє унікальні транспортні властивості для носiїв заряду, належних до ab_площині.

Особистий внесок дисертанта. Приведені в дисертації результати отримані в співавторстві із співробітниками відділу спектроскопії магнітних і молекулярних кристалів ФТІНТ НАН України та інших установ НАН України. Автор приймав безпосередню участь на всіх етапах виконання даного дослідження: розробці підходів та методів розв'язання поставленої задачі, приготуванні зразків для вимірів, обробці отриманих результатів, проведення числових розрахунків, а також написанні наукових статей та підготовці доповідей на конференціях. Роботи по розробці та виготовленню експериментальної установки, проведенню експерименту, написанню програм для математичної обробки, виконані особисто дисертантом.

Випробування результатів дисертації. Основні наукові результати дисертації були випробувані на: Міжнародній конференції по міліметрових хвилях і техніці далекого інфрачервоного діапазону (International Conference on Millimetre Wave and FIR Technology, Bejing, China, 1990), Міжнародних конференціях по магнетизму і магнітним матеріалам (37th Annual Conference on MMM, Houston, USA, 1992; 40th Annual Conference on MMM, Philadelphia, USA, 1995; 44th Annual Conference on MMM, San Jose, USA, 1999), Міжнародних конференціях по фізиці низьких температур (XX International Conference on Low Temperature Physics, Eugen, USA, 1993; XXII International Conference on Low Temperature Physics, Espoo, Finland, 1999), Міжнародної конференції по фізиці конденсованого стану (15th Gen. Conference of the Condensed Matter Division of European Physical Society, Baveno-Stresa, Italy, 1996, Міжнародної конференції по спектроскопії надпровідників (Spectroscopies in Novel Superconductors, Cape Cod, USA, 1997). Крім того, результати роботи докладалися на семінарах ФТІНТ НАНУ.

Публікації. По темі дисертації опубліковане 12 друкованих робіт, серед яких 6 статей у наукових реферованих журналах і 6 тез доповідей на міжнародних конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел (122 найменування). Зміст роботи викладений на 115 сторінках, 37 рисунках і в 7 таблицях.

2. Основний зміст роботи

У вступі сформульована мета дисертаційної роботи, обґрунтована актуальність вибраної теми, продемонстрована наукова новизна і практична цінність дисертаційної роботи. Розглянуті також особистий внесок здобувача й повнота апробації отриманих результатів.

У першому розділі приведений огляд робіт, присвячених експериментальним і теоретичним дослідженням багатопідграткових магнітних кристалів.

Ці кристали демонструють велику різноманітність фізичних властивостей, що обумовлено впливом складної магнітної підсистеми на їхні спектральні характеристики.

У дисертаційній роботі вивчалися три різних представники таких кристалів: Nd₂CuO₄, у якому зміна фононного спектра обумовлена магнітним фазовим переходом; La_1,775Sr_0,225NiO₄, що демонструє зарядове страйп-впорядкування, пов'язане з магнітною структурою; BaFe₁₂O₁₉, що має багатий спектр мод магнітного резонансу, частина з яких взаємодіє з фононами.

Nd₂CuO₄ є базовою сполукою для високотемпературних надпровідників з електронним типом провідності. Як показано в роботах Шантакумара [1] і Петітгранда [2], при температурах нижче за T_N=276 К Nd₂CuO₄ володіє обмінно-неколінеарною магнітною структурою типу "плоский хрест", який лежить у ab_площині кристала. За даними роботи Шантакумара і Ліна із співавторами магнітному упорядкуванню може передувати структурний фазовий перехід, що супроводиться почетверінням елементарної комірки за рахунок малих зміщень іонів міді в ab-площині. Однак у роботах Петітгранда й Кондо наявність таких структурних спотворень заперечується.

Обмінно-неколінеарна магнітна структура типу "плоский хрест" може бути утворена шляхом фазового переходу другого роду з парамагнітної фази I4/mmm як у фазу P_C4₂/ncm при відсутності структурних спотворень, так і у фазу P4₂/mnm при їхній наявності. Нова зона Бриллюена, утворена в результаті магнітного переходу I4/mmm * P_С4₂/ncm, цілком збігається із зоною Бриллюена, яка б виникала після структурного переходу I4/mmm * P4₂/mnm. Тому після магнітного упорядкування, також як і після структурного переходу, у центр нової зони будуть потрапляти фонони з X = (1/2,1/2,0) і M = (1,0,0) чи їй еквівалентної Z = (0,0,1) точок, що лежать на границі початкової зони Бриллюена.

У роботі [3] вивчалися транспортні властивості й інфрачервоні спектри відбивання монокристалів La₂NiO₄. Ці кристали ізоструктурні до рідкоземельних купратів, тому можна припустити, що ряд їхніх властивостей будуть подібними. Приміром, результати дослідження транспортних властивостей у полікристалічних La₂NiO₄ і La₂CuO₄, показують, що виникнення провідності приводить до металоподібного стану в обох сполуках, однак у різних температурних інтервалах. Значна подібність спостерігається також в ІЧ спектрах відбивання монокристалів La₂NiO₄ і La₂CuO₄.

Недавні експерименти показали відмінність у поведінці оптичної провідності страйп-впорядкованих фаз у купратах La_2-x-yNd_xSr_yCuO₄ і нікелатах La_{2_x}Sr_xNiO₄. Сильна локалізація й зв'язок заряду з граткою в нікелатах виявляє себе появою, по-перше, ізолюючого стану і зарядової щілини в оптичній провідності [4] і, по-друге, додаткових дифракційних піків унаслідок іонних зсувів, що індукуються нижче температури зарядового упорядкування. У купратах подібна щілина не спостерігалася навіть тоді, коли піки зарядово-впорядкованої надгратки реєструвалися як нейтронним так і рентгенівським розсіюванням.

Дифракційні виміри показали, що відповідна граткова модуляція в купратах значно менше ніж у нікелатах. У той же час як купрати, так і нікелати демонструють несумірне зарядове упорядкування [5].

У роботі Маршалла й Соколова [6] був приведений розрахунок гілок спінових хвиль барієвого гексафериту без урахування симетрійного аналізу й у відсутність зовнішнього магнітного поля. Симетрійний аналіз особливостей магнітного упорядкування BaFe₁₂O₁₉ і мод магнітного резонансу був виконаний у роботі Єременко й Пашкевича [7].

Просторова симетрія кристала BaFe₁₂O₁₉ описується групою . Примітивна комірка кристала містить дві формульні одиниці і, отже, двадцять чотири магнітних іони [8]. Іони Fe³⁺ займають п'ять типів позицій, що мають наступні типи позиційної симетрії: 2a - D_3d; 2b - D_3h; 4f₁,4f₂ - C_3v; 12k _ C_3s.

Симетрійний аналіз такої структури [8] показує , що повинне існувати підгинання рівноважних орієнтацій спінів іонів k-позицій відносно осі z. Величина кута підгинання є незначною, оскільки обумовлюється обмінно-релятивістськими взаємодіями типу взаємодії Дзялошинського-Морія.

У другому розділі влаштовується вибір напрямку розробки методики досліджень магнітних кристалів, приводяться методи рішення поставленої задачі і їх порівняльна оцінка. Описується устрій і принцип дії експериментальної установки, створеної для виконання дисертаційної роботи, а також методика вимірювань у далекому інфрачервоному спектральному діапазоні.

Для проведення досліджень спектральних характеристик магнітовпорядкованих кристалів у далекому інфрачервоному діапазоні у зовнішньому магнітному полі і широкому діапазоні температур була створена експериментальна установка.

Експериментальна установка являє собою повністю автоматизований фур'є-спектрометр, що дозволяє отримувати спектри як пропускання, так і відбивання. Діапазон досліджуваних довжин хвиль знаходиться в межах від 200 мкм до 20 мкм (від 50 см^-1 до 500 см^-1). Максимальна дозволяюча здатність приладу рівна 0,1 см^-1. Температура досліджуваних зразків може варіюватися в інтервалі від 10 К до 300 К. Точність стабілізації температури зразка не гірше 1 К. Напруженість постійного зовнішнього магнітного поля, що прикладається до досліджуваного зразка, може досягати величини в 3 Т.

До складу експериментальної установки входять оптико-механічна частина, гелієвий кріостат з надпровідною магнітною системою, електронна система управління й обробки даних.

Базою для побудови оптико-механічної частини є фур'є-спектрометр ЛАФС-1000. Оптико-механічна частина складається з трьох незалежно вакуумованих камер: камери інтерферометра, камери зразків і камер приймача.

У камері інтерферометра розміщується один з основних елементів оптичної частини установки - інтерферометр Майкельсона з безперервним переміщенням дзеркала. У камері інтерферометра також знаходиться джерело широкосмугового інфрачервоного випромінювання - ртутна лампа, електроприводи пересувного дзеркала інтерферометра й модулятора освітлювача. У камері зразків розташовується кріостат із магнітом і осередком для зразків, а також оптична система з геометрією, що перебудовується для роботи в режимах відбивання або пропускання. Тут же розташований електропривод для забезпечення такої перебудови. У камері приймача розміщується приймач інфрачервоного випромінювання й набір оптичних фільтрів, що переводяться своїм електроприводом. Застосування електричного приводу для дистанційної зміни настройок параметрів оптичної системи вакуумованого приладу дозволило істотно скоротити час переходу між різними режимами роботи установки. Вакуумування ж є обов'язковою умовою спектроскопії у далекій інфрачервоній області спектра.

Гелієвий кріостат містить надпровідний магніт з осередком для зразка. Унікальна конструкція магніту й осередку дозволила виключити холодні оптичні вікна кріостата. Таке рішення дало можливість, зберігаючи апертури оптичних пучків, значно зменшити габарити кріостата, а, отже, витрати рідкого гелію. Іншою перевагою даної конструкції є можливість нагріву досліджуваного зразка аж до кімнатної температури без значного збільшення витрати кріоагенту.

Електронна система управління і обробки даних складається з блоку управління й комп'ютера. Блок управління містить інтерфейсні модулі зв'язку комп'ютера з усіма електроприводами оптико-механічної частини установки, а також канал обробки електричного сигналу від приймача інфрачервоного випромінювання і передачі його в комп'ютер. Комп'ютер виконує дві функції. Одна полягає в управлінні вузлами установки, а інша в перетворенні сигналу від приймача інфрачервоного випромінювання в спектр досліджуваного зразка. Застосування спеціальної математичної обробки дозволило поліпшити якість спектрів, що отримуються. Для забезпечення функціонування експериментальної установки був розроблений комплекс керуючих і розрахункових комп'ютерних програм. Застосування комп'ютера для управління всіма вузлами експериментальної установки дало можливість повністю автоматизувати весь процес отримання спектрів досліджуваних зразків. А це, у свою чергу, дало значне скорочення часу проведення експерименту і дозволило практично виключити помилки експериментатора. Всі ці чинники дають у сукупності чутливу економію дорогих кріорідин і підвищують якість експериментальних досліджень, що проводяться.

Третій розділ присвячений вивченню впливу магнітного упорядкування на фазовий стани в монокристалах Nd₂CuO₄. Вимірювання, проведені в магнітному полі, що перевищує поле спін-переорієнтаційного фазового переходу, дозволили ідентифікувати виявлені лінії поглинання з фононами з межі зони Бріллюена.

Вище за Т = 300 К кристал Nd₂CuO₄ має групу симетрії I4/mmm. У примітивній комірці міститься одна формульна одиниця і є 21 коливальна ступень свободи, які утворюють механічне уявлення d_m. При k = 0 ці ступенi свободи розподіляються таким чином щодо неприводимих представлень точкової групи:

d_m=A_1g+4A_2u+B_1g+B_2u+2E_g+5E_u (1)

Група I4/mmm і співвідношення (1) є основою для інтерпретації експериментальних результатів.

Сполука Nd₂CuO₄ є одним із кристалів, де може реалізуватися магнітна структура, що дозволяє електродіпольне одночасткове вбирання граничними фононами. Він має 4_підграткову обміннонеколініарну магнітну структуру типу “плоский хрест”. Вона реалізовується в інтервалі температур 276 _ 75 К. Дана структура може бути створена шляхом фазового переходу другого роду з парамагнітної фази I4/mmm. Магнітна структура такого типу може існувати як при наявності, так і при відсутності структурних спотворень. В обох випадках у магнітній комірці міститься чотири магнітних іони міді і, відповідно чотири формульні одиниці Nd₂CuO₄. Однак у першому випадку передбачається, що магнітне упорядкування при T_N = 276 К відбувається з почетверінням початкової комірки парамагнітної фази, що описується просторовою групою I4/mmm, а у другому - що упорядкування “плоский хрест” виникає без мультиплікації примітивної комірки вже після структурного фазового переходу, що передував йому, передбачуваного при 300 К. Потрібно зазначити, що відомостей, що були до дисертаційної роботи про фононні спектри Nd₂CuO₄, отримані при відсутності зовнішнього магнітного поля, принципово недостатньо для однозначної відповіді на питання про структурні спотворення в цьому кристалі.

Механізми виникнення поглинання, що залежать від спіну з межі зони Бріллюена визначаються величиною намагніченість іонів міді. Для того, щоб при величині T_N = 276 К вона практично досягла насичення, досить знизити температуру зразка до величини 100_150 К. Враховуючи, що при температурі 75 К в Nd₂CuO₄ відбувається спін-переорієнтаційний перехід, для спрощення аналізу результатів вимірювання проводилися при 150 К. У магнітному полі, прикладеному вздовж однієї з магнітних осей кристала в площині хреста спінів, структура “плоский хрест” закривається, перетворюючись в обмінно-колінеарну. При температурі 150 К величина поля переходу виявилася вельми малою, так що у зовнішньому полі напруженістю 0,05 Т цей перехід явно завершувався.

Загалом вони співпадають зі спектром отриманим раніше Крауфордом при 10 К для такої ж геометрії експерименту. Порівняння цих даних із результатами експериментів по непружному розсіянню нейтронів при кімнатній температурі показує, що спектральні положення ліній основних E_u - фононів, відповідних високотемпературній фазі I4/mmm (1), і нейтронних піків тієї ж симетрії з Г _ точки зони Бріллюена практично співпадають. Слаба залежність енергії основних фонон від температури в Nd₂CuO₄ дозволяє використати ці дані і для ідентифікації тих фононів із межі зони Бріллюена, які виявляються в спектрах після мультиплікації елементарного комірки.

У наших спектрах так само, як і в спектрах Крауфорда, спостерігався ряд слабих ліній, що не укладаються в рамки класифікації (1). Виконані нами вимірювання показали, що вплив зовнішнього поля, прикладеного вздовж осі х в xyz-системі координат, “відчувають” лінії на частотах 170 см^-1 і 320 см^_1. Ці частоти не відповідають жодній з частот коливань E_u-симетрії. Відповідні ним дільниці спектрів поглинання Im(е) представлені на рис. 3,б. За нашим даними, лінії основних фононів E_u-симетрії впливу магнітного поля не випробовують.

Зміна інтенсивності ліній на частотах 170 см^-1 і 320 см^-1 при додатку зовнішнього магнітного поля однозначно вказує на відсутність структурних спотворень у Nd₂CuO₄, принаймні при температурах вище за 150 К. Отримані за даними розсіяння нейтронів дисперсійні залежності фонон показують, що цим лініям може відповідати однофононне поглинання як із X _, так і з M _ точок зони Бріллюена фази I4/mmm. Оскільки лінія на частоті 170 см^-1 придушується зовнішнім магнітним полем, вона “відбувається” з M _ точки, а лінія з частотою 320 см^-1, що виявляється в полi, - із X _ точки зони Бріллюена.

У четвертому розділі розглядається дослідження інфрачервоних спектрів поглинання допованого стронцієм La₂NiO₄. Це з'єднання є родинним з'єднанню La₂CuO₄, який, як відомо, при допіюванні стає високотемпературним надпровідником. На відміну від купратів, допіювання нікелатів володіє рядом особливостей. А саме - при пониженні температури в нікелатах не виникає надпровідний стан, а навпаки, провідність зникає, й виникає діелектрична фаза. Це пов'язано з тим, що в нікелатах при різних рівнях допіюванні виникає страйп-упорядкування. Даний тип упорядкування являє собою зарядові ланцюжки іонів Ni із локалізованими на них надлишковими носіями - дірками. Ці ланцюжки розташовані в площинах Ni-O паралельно один одному і розділені смужками з ланцюжків іонів Ni²⁺ з антиферомагнітно впорядкованими спінами (рис. 4). Ситуація, яка виникає з точки зору спектроскопії, в цьому об'єкті така ж, як і в Nd₂CuO₄ . Ми маємо справу з пониженням трансляційної симетрії, пов'язану зі страйп-упорядкуванням.

Дослідження були присвячені вивченню спектрів відбивання від ab-площини цього об'єкта. Також як і Nd₂CuO₄, La₂NiO₄ в допованому стані є тетрагональним кристалом, і тому симетрія коливань у ньому точно така ж, як і в Nd₂CuO₄. Дослідження ІЧ спектрів і розсіяння нейтронів показали, що ці коливання належать E_u-модам і мають частоти 150, 220, 347 см^-1. Це означає, що в нашій геометрії відбивання ми повинні бачити декілька E_u-ліній основної фази.

Досі було неясно, на яких саме іонах локалізовані додаткові заряди в страйп-структурі. Або - це іони кисню, або іони нікелю. Згідно з теоретичними оцінками, величина розщеплення й напрям зсуву ліній будуть залежати від механізму локалізації заряду.

У спектрах провідності з'являються додаткові лінії, які потрібно зіставити лініям, індукованим страйп-впорядкуванням. Дуже важливою для ідентифікації таких ліній є наявність експериментальних даних по дисперсійним кривим фононів. Оскільки хвильовий вектор страйпа відомий з експериментів по розсіянню нейтронів, ми можемо, безпосередньо порівнюючи ці дані, указати частоти нових ліній. Потрібно чекати, що поява нових ліній буде індукуватися зсередини зони Бріллюена з хвильових векторів, відповідних хвильовому вектору страйпа.

Порівняння наших даних із даними по розсіянню нейтронів на фононах показує задовільну згоду частот додаткових ліній, які з'являються в наших спектрах в області страйп-впорядкування. Ці лінії розташовані на частотах 436, 470, 480 см^_1. Основні лінії, що мають максимальну інтенсивність і розташовані на частотах 141, 228 і 356 см^-1, є лініями E_u-симетрії, відповідними структурі без допіювання. Положення цих ліній в ІЧ спектрі добре співпадає з даними по непружному розсіянню нейтронів.

Також у спектрах добре спостерігається розщеплення основної фононної лінії на частотi 356 см^-1. Розщеплення свідчить про те, що незважаючи на несумірну структуру, заряд є добре локалізованим у даному зразку.

Зокрема, з ІЧ спектра видно, що є придушення однієї з розщеплених ліній в околиці основного фонона на 356 см^-1, а так само ліній на частотах 436, 470 і 480 см^-1, які також індуковані страйп-впорядкуванням.

Є ще один результат, отриманий з проведених досліджень. Вимірювання проводилися в області 50_500 см^-1. У цій області частот досить добре видно зміна поведінки провідності. Зокрема, ми бачимо, що при температурі вище за температуру зарядового упорядкування провідність при частоті, прагнучій до нуля, є відмінною від нуля, що визначає металічну поведінку системи. Одним із слідств страйп-впорядкування є виникнення щілини в спектрі зарядових збуджень. Це означає, що при проходженні температури зарядового упорядкування провідність зразка на нульовій частоті повинна перетворюватися в нуль. Це явище і спостерігається в наших спектрах.

У п'ятому розділі представлені результати дослідження спектрів відбивання високоякісних монокристалів барієвий гексафериту BaFe₁₂O₁₉ при різних температурах і у зовнішньому магнітному полі, перпендикулярному гексагональної осі. Монокристалічний BaFe₁₂O₁₉ є 24 - підгратковим ферімагнетиком. Особливості його високочастотних властивостей, зумовлених багатопідгратковістю, раніше не вивчалися. Кристалічна структура BaFe₁₂O₁₉ описується просторовою групою D_6h і містить дві формульні одиниці в елементарнiй комiрцi і, отже, 24 магнітних іони. Магнітна структура є колінеарною в обмінному наближенні з орієнтацією спінів уздовж осі шостого порядку. Іони займають позиції: 2a; 2b; 4f₁; 4f₂; 12_k. Спини іонів, що знаходяться в f-позиціях (рис. 6), направлені протилежно спинам іонів з інших позицій. Гамільтоніян в інваріантній відносно операцій симетрії магнітної фази формі може бути представлений у вигляді

,

де - лінійні комбінації міжпідграткових інтегралів. Кристалографічна структура BaFe₁₂O₁₉ така, що для опису обмінного упорядкування досить величин чотирьох обмінних інтегралів , , , , визначених раніше методом ЯМР. Взаємодія Дзялошинського приводить до “підгину” орієнтації спінів іонів, що знаходяться в k _ позиціях (кут підгину становить декілька градусів), що і визначає наявність 24 мод магнітного резонансу. Результати аналізу типів їх симетрії приведені в табл. 1.

Таблиця 1

	Ag	Bg	E1g	E2g	Au	Bu	E1u	E2u
n	1	1	5	6	1	1	5	4

Магнітною компонентою електромагнітного поля можуть збуджуватися моди симетрії A_g і E_2g. При цьому одна з мод E_2g є акустичною, тобто відповідає феромагнітний резонансу в обмінно-колінеарному наближенні. Обмінні моди A_u і E_2u збуджуються електричною компонентою. Таким чином із загального числа 24 мод барієвого гексафериту в інфрачервоних спектрах можуть виявлятися лише 12. Їх інтенсивність пропорційна неколініарності k _ підграток і є вельми слабою [8].

Нашою задачею було виявлення проявлення цих обмінних мод у спектрах і їх ідентифікація. Вимірювання спектрів відбивання BaFe₁₂O₁₉ у спектральному діапазоні 50_500 см^-1 були виконані в температурному інтервалі 15_300 К і у зовнішньому магнітному полі напруженістю до 3 Т. В експерименті використовувалися високоякісні монокристали з природною площиною зростання, перпендикулярної гексагональної осі. При охолоджуванні кристала збудження на частотах 91,1 см^-1, 173,0 см^_1, 241,1 см^-1 i 324,2 см^-1 випробовували зсув на величину 1_2 см^-1 в область більш високих частот. Лінії на частотах 282,7 см^-1, 291,3 см^-1 i 357,1 см^-1 зазнають більшого зсуву (на величину 4 см^_1 - 6 см^-1). При цьому лінії на частотах 282,7 см^-1 і 291,3 см^-1 дозволяються між собою. У теж час лінія на частоті 419,4 см^-1 незначно зсувається в область низьких частот.

Крім того, нами виявлено, що додаток зовнішнього магнітного поля впливав на особливості спектра на частотах 380 см^-1, 435 см^-1 і 465 см^-1, що однозначно вказує на їх зв'язок з магнітною підсистемою. Ці компоненти можуть бути ідентифіковані як фонон-магнонні збудження, оскільки розрахункові значення частот обмінних мод BaFe₁₂O₁₉ лежать у більш низькочастотній області спектра.

Висновки

1. Розроблена й виготовлена унікальна установка на базі фур'є-спектрометра ЛАФС-1000, що дозволила провести дослідження спектрів пропускання й відбивання в далекій інфрачервоній області спектра (50 _ 500 см^_1) у широких інтервалах температур (10 - 300 К) і зовнішніх магнітних полів (0 - 3 Т).

2. Уперше виявлені в магнітовпорядкованій фазі Nd₂CuO₄ лінії однофононного поглинання, пов'язані з фононами з межі зони Бріллюена парамагнітної фази кристала. Уперше виявлений вплив зовнішнього магнітного поля на ці нові лінії, і визначено, що мультиплікація елементарної комірки кристала зумовлена магнітним фазовим переходом. Установлено, що структурні спотворення, обумовлені структурним фазовим переходом, в Nd₂CuO₄ при його охолоджуванні аж до 150 К не виникають.

3. Уперше проведені вимірювання оптичної провідності в далекій інфрачервоній області спектра монокристалів La_1,775Sr_0,225NiO₄, електронна підсистема яких демонструє властивості зарядових страйп-структур. Встановлено, що при температурі вище зарядового упорядкування у кристалі реалізовується провідна фаза, оскільки провідність на низьких частотах є відмінною від нуля. При температурах нижче зарядового упорядкування провідність зразка, апроксимована до нульової частоти, обертається в нуль, що вказує на виникнення діелектричної фази. Установлено, що в спектрах поглинання з'являються додаткові лінії, зумовлені страйп-впорядкуванням. Уперше виявлений вплив зовнішнього магнітного поля на ці додаткові лінії. Це означає, що страйп-впорядкування пов'язане з магнітною підсистемою кристала.

4. Уперше в інтервалі температур 300 - 15К виміряні інфрачервоні спектри відбивання кристалів багатопідграткового гексафериту BaFe₁₂O₁₉. Установлене, що, лінії основних фононних збуджень при охолоджуванні зазнають зсуву в область більш високих частот, ширина спектральних компонент меншає, а їх інтенсивність у максимумі зростає. Виявлено, що спектральні компоненти на частотах 380, 435 і 465 см^-1 випробовують вплив зовнішнього магнітного поля, що безпосередньо вказує на їх зв'язок із магнітною підсистемою кристала. Ці компоненти можуть бути ідентифіковані як фонон-магнонні збудження.

Список цитованої літератури

1. Skanthakumar S., Lynn J.W., Peng J.L., Li Z.Y. Observation of noncollinear magnetic structure for the Cu spins in Nd₂CuO₄ - type systems // Phys. Rev. B.-1993.-Vol.47.-P. 6173-6176.

2. Petitgrand D., Moudden A.H., Galez P. and Boutrouill P. Field-induced transformation of the spin ordering in Nd₂CuO₄ // J. Less. Common Met.-1990.-Vol.164-165.-P.768-775.

3. Bassat J.M., F. Gervais F., Odier P., and Loup J.P. Anisotropic transport properties of La₂NiO₄ single crystals // Materials Science and Engineering.-1989.-Vol. B3.-P. 507-514.

4. Katsufuji T., Tanabe T., Ishikawa T., Fukuda Y., Arima T., and Tokura Y. Optical spectroscopy of the charge-ordering transition in La_1,67Sr_0,33NiO₄ // Phys. Rev. B.-1996.-Vol. 54.-P.R14230-R14233.

5. Tranquada J.M., Buttrey D.J., and Sachan V. Incommensurate stripe order in La_{2_x}Sr_xNiO₄ with x=0,225 // Phys. Rev. B.-1996.-Vol.54.-P. 12318-12323.

6. Marshall S.P. and Sokoloff J.B. Phonon spectrum for barium ferrite // Phys. Rev. B.-1991.-Vol. 44.-P. 619-627.

7. Eremenko A.V., Pashkevich Yu.G., Sobolev V.L., Fedorov S.A. Magnetic resonance exchange modes for barium hexaferrite // Proceedings of The Sixth International Conference on Ferrites (ICF6).-Tokio and Kyoto (Japan).-1992.-P. 741-742.

8. Eremenko A.V., Pishko V.V., Tsapenko V.V., Pashkevich Yu.G. and Sobolev V.L. Magnetic resonance exchange modes in multisublattice magnets // Digest of the International Conference on Millimeter Waves and Far Infrared Technology.-Bejing (China).-1990.-P. 77-78.

9. Eremenko A.V., Pishko V.V., Pashkevich Yu.G., Tsapenko V.V. Infrared reflection spectra of cooled BaFe₁₂O₁₉ // Physica B. - 1994. - V. 194-196. - P. 189-190.

10. Еременко А.В., Пишко В.В., Пашкевич Ю.Г., Цапенко В.В. О структурных искажениях в Nd₂CuO₄ // Физика низких температур. - 1995. - Т. 21. - В. 7. - С. 757-762.

11. Пашкевич Ю.Г., Пишко В.В., Цапенко В.В., Еременко А.В. Индуцированное магнитным упорядочением однофононное инфракрасное поглощение в Nd₂CuO₄ // ЖЭТФ. - 1996. - Т. 109. - С. 1433-1450.

12. Eremenko A.V., Pishko V.V., Pashkevich Yu.G., Tsapenko V.V. Far-Infrared absorption caused by spin-phonon correlations in Nd₂CuO₄ // Czechosl. journ. of physics. - 1996. - V. 46. - P. 1069-1070.

13. Pashkevich Yu.G., Blinkin V.A., Gnezdilov V.P., Tsapenko V.V., Eremenko V.V., Lemmens P., Fischer M., Grove M., Gьntherodt G., Degiorgi L., Wachter P., Tranquada J.M., Buttrey D.J. Stripe conductivity in La_1,775Sr_0,225NiO₄ // Phys. Rev. Letters . - 2000. - V. 84. - N. 17. - P. 3919-3922.

14. Pashkevich Yu.G., Blinkin V.A., Gnezdilov V.P., Kurnosov V.S., Tsapenko V.V., Eremenko V.V., Lemmens P., Fischer M., Grove M., Gьntherodt G., Degiorgi L., Wachter P., Tranquada J.M., Buttrey D.J. Optical studies of the incommensurate charge ordered phase in La_1,775Sr_0,225NiO₄ // Physica B. - 2000. - V. 284-288. - P. 1473-1474.

15. Eremenko V.V., Pashkevich Yu.G., Pishko V.V., Tsapenko V.V. Infrared spectroscopy of neodimium cuprate near magnetic phase translation // 37th Annual Conference on MMM, Houston, USA, Abstract FP-14. - 1992.

16. Eremenko A.V., Pishko V.V., Pashkevich Yu.G., Tsapenko V.V. Infrared reflection spectra of cooled BaFe₁₂O₁₉ // LT20, Eugen, USA, Abstract 27.63B. - 1993.

17. Eremenko A.V., Pishko V.V., Pashkevich Yu.G., Tsapenko V.V. Spin-dependent one-phonon absorption in the Nd₂CuO₄ // 40th Annual Conference on MMM, Philadelphia, USA, Abstract GE-09. - 1995.

18. Eremenko A.V., Pishko V.V., Pashkevich Yu.G., Tsapenko V.V. One-phonon absorption caused by magnetic ordering in the Nd₂CuO₄ // 15th Gen. Conference of the Condensed Matter Division of European Physical Society, Baveno-Stresa, Italy, Europhysics conference abstracts. - 1996. - V. 20a. - P. 26.

19. Pashkevich Yu.G., Gnezdilov V.P., Tsapenko V.V., Blinkin V.A., Tranquada J.M., Buttrey D.J. Far-Infrared and Raman Studies of the Incommensurate Stripe Ordered Phase in La_2-xSr_xNiO₄ with x=0,225 // Conference on Spectroscopies in Novel Superconductors (SNS 1997), Cape Cod, Massachusetts, USA, Abstracts book. - 1997.- P. 162.

20. Pashkevich Yu.G., Blinkin V.A., Gnezdilov V.P., Tsapenko V.V., Kurnosov V.S., Eremenko V.V., Lemmens P., Gьntherodt G., Degiorgi L., Wachter P., Tranquada J.M., Buttrey D.J. Optical studies of incommensurate charge ordered phase in La_1,775Sr_0,225NiO₄ // Abstaracts of XXII International Conference on Low Temperature Physics, Espoo and Helsinki, Finland. - 1999.

Размещено на Allbest.ru

...