Ефекти магнітопружності та анізотропії в магнітних властивостях феро- та антиферомагнетиків

В п'ятому розділі досліджені магнітопружні ефекти, які мають спостерігатися при магнітних фазових переходах типу зміщення. При таких переходах вимушена і спонтанна МС має іншу, відмінну від звичайних магнетиків поведінку, бо такі фазові переходи відбуваються внаслідок спонтанної поляризації іонних станів.

В підрозділі 5.1 описано вимушену МС при індукованому магнітним полем фазовому переході із синглетного стану до феромагнітного стану в магнетику з одноіонною анізотропією легкоплощинного типу з S=1. Розглянуто гексагональний кристал з двочастинковими і одночастинковими магнітопружними взаємодіями другого порядку по спіну. Вимушена МС є наслідком зміни величини параметра порядку чи зміни його напрямку. Однак, в більшості магнетиків величина вимушеної МС пропорційна квадрату напруженості магнітного поля h2.

В синглетному парамагнітному стані, навіть при h0, феромагнітний момент відсутній, і тому вимушеної МС нема. Вона може з'явитися тільки після фазового переходу. Одночастинкові магнітопружні взаємодії призводять до виникнення в синглетному стані при hZ (h<hОP) спонтанної, що не залежить від поля, деформації, яка відбувається без зміни симетрії кристала. Величина такої МС пропорційна квадрупольному спіновому моменту, тому в синглетному стані зберігається виродження в легкій площині. Таким чином, в синглетному стані МС має одночастинкову природу і вона є ізотропною в площині:

,

де , - константи одночастинкових магнітопружних взаємодій, а С - пружні константи.

Після магнітного фазового переходу II-го роду до ФМ стану, коли h>hOP, відбувається спонтанне виникнення спінової поляризації в легкій площині, а орієнтуюча дія магнітного поля призводить до виходу поляризації з площини. Величина спінової поляризації і компоненти квадрупольного спінового моменту залежать від h. Вимушена МС буде призводити до спонтанного пониження симетрії кристалу. При (h-hOP)/hOP<<1 МС описується виразами:

,

+

,

,

де , , , , , - константи одночастинкових (верхній індекс 1) і двочастинкових магнітопружних взаємодій (верхній індекс 2). Показано, що анізотропна в площині МС, лінійно залежить від h. Цей результат є наслідком індукування полем магнітного фазового переходу типу зміщення із синглетного стану до ФМ стану.

В підрозділі 5.2 описано явище магнітного колапсу, яке відбувається при гідростатичному стиску кристалів, коли кристал із спонтанною намагніченістю переходить до ненамагніченого стану з відсутньою намагніченістю. Фактично, вперше це явище спостерігалось у високостиснутому одноосьовому феромагнетику NiSiF66H2O. Недавно магнітний колапс був виявлений при стисненні твердого О2.

Розглянутий одноосьовий ФМ з гамільтоніаном

параметри якого змінюються в залежності від величини тиску р, причому J(р)>0, D(р)>0.

Параметри обміну і одноіонної анізотропії по-різному залежать від міжіонних відстаней, до спотворення яких призводить тиск. Величина спінової поляризації основного стану при Т=0 також залежить від р:

В точці переходу, коли тиск стає рівним критичному значенню р = рС, поляризація буде відсутня s0(pC)=0. Цей тиск відповідає фазовому переходу типу зміщення між синглетним і ФМ станами. Точка переходу задовольняє рівності: . Залежності J(р), D(р) в широкому інтервалі значень р дозволяють лінеаризацію: J(р)=J0(1+р), D(p)=D0(1+р), де и - коефіцієнти. Тепер критичний тиск дорівнює: .

Для p, порівнянного з критичним ppC,, коли p=pC-p і s0<<1, енергія основного стану системи (37) може бути записана у вигляді:

,

де , >0, d=D(pC)/4, причому, d>0. При мінімізації (39) отримаємо, що величина спінової поляризації при p>0 залежить від прикладеного тиску:

При p<0 (p>pC) спонтанна поляризація дорівнює нулю: s0=0.

Таким чином, магнітний колапс в одноосьових магнетиках при їх стиску є наслідком магнітного фазового переходу типу зміщення із ФМ стану до синглетного стану, причому такий перехід індукує тиск.

В підрозділі 5.3 досліджена температурна аномалія МС в ізотропному обмінному ФМ з великим біквадратичним обміном, внесок якого в спін-гамільтоніан описується доданками , де Sn, Sm - оператори спіну; n, m - вектори, які задають позиції спінів з S=1. Гамільтоніан такої системи можна записати в вигляді:

де J, В - кон-станти білінійного і біквадратичного обмінів, причому J<0, В<0. Від'ємні значення констант J, В забезпечують стійкість однопідграткової магнітної структури, qij - компоненти квадрупольного спінового моменту qij=(SiSj+SjSi)/2, i, j = X, Y, Z.

З аналізу вільної енергії, і виписаних з її допомогою рівнянь, були отримані рішення, які відповідають рівноважним станам. Для визначення орієнтацій параметрів порядку в цих станах був використаний гамільтоніан:

де h и фіксують квазісередні (метод Боголюбова) для М і для головних значень квадрупольного спінового моменту. При цьому <0, > > : h 0 і 0. Гамільтоніан (42) стабілізує феромагнітний стан з М0, QZZQXX=QYY, де М - намагніченість, причому МZ, а QZZ, QXX, QYY - компоненти квадрупольного спінового моменту. В ФМ фазі спінова густина має розподіл у вигляді витягнутого уздовж Z еліпсоїду обертання. В квадрупольному спіновому стані М=0 QZZ=QXXQYY. Спінова густина в квадрупольному стані має вигляд сплюснутого еліпсоїду обертання, з віссю обертання, яка перпендикулярна осі Z. В парамагнітній фазі М=0, QZZ=QXX=QYY=2/3, що відповідає сферичному розподілу спінової густини. В моделі (43) з білінійним і біквадратичним обмінами, при B<J спостерігаються парамагнітний і ФМ стани. При B>J спостерігаються парамагнітний і квадрупольний спінові стани. При врахуванні, наприклад, трьочастинкових взаємодій при зміні Т будуть спостерігатися всі три стани.

Для запису потенціалу Ландау магнетика з S=1 і з великим біквадратичним обміном необхідно врахувати, що для компонент середнього квадрупольного спінового моменту повинна виконуватися рівність QZZ+QXX+QYY=2, яка випливає з =2. Таким чином, потенціал Ландау можна записати у вигляді ряду по М , ZZ=QZZ-2/3 і XX=QXX-2/3:

+

(43)

+ +

,

де а, b, f - коефіцієнти, які в загальному випадку можна вважати довільними. В (43) також враховані ізотропні в площині ZX магнітопружні взаємодії, а також зеєманівський внесок, h Z. Потенціал Ландау є сильно нелі-нійним, що може призвести до нетипової залежності намагніченості від температури. Міжчастинкові магнітопружні взаємодії позначені константою , а константою позначені одночастинкові магнітопружні взаємодії. Після мінімізації потенціалу (43) по UZZ і UXX отримано, що МС є прямо про-порційною M 2 і сумі ZZ та XX:

UZZ = UXX =

З (44) випливає, що одночастинкові магнітопружні взаємодії призводять до МС, яка утворюється у зв'язку з виникненням квадрупольної спінової фази, в якій М=0, а ZZ=XX0. Така МС відрізняється від МС в магнетиках з великою одноіонною анізотропією, бо вона викликана спонтанним утворенням квад-рупольного спінового порядку і має аномальну температурну залежність. Ця специфіка МС, яку породжує квадрупольне спінове впорядкування, призводить ще й до аномалії в температурних залежностях других похідних деформації по полю, які розраховують в парамагнітній фазі, коли М=0, ZZ=XX=0. Такі другі похідні в парамагнітній фазі при h0 мають вигляд:

де - магнітна сприйнятливість парамагнітної фази, для якої -1 а1, тобто вона залежить від Т відповідно до закону Кюрі-Вейса. З (45) випливає, що в парамагнітній фазі температурна залежність других похідних деформацій по полю має дві особливості. Перша пов'язана із спрямуванням до нуля оберненої сприйнятливості -1 при Т=ТС, коли аl=0. Друга особливість пов'язана із спрямуванням до нуля знаменника 2b1+bЗ=0 в дужках в (45), яке має місце при температурі квадрупольного спінового впорядкування T=TQ. Вона можлива при великому біквадратичному обміні і за наявності одночастинкових магнітопружних взаємодій. Якщо TQ>ТС, то згідно (45), аномалії похідних МС парамагнітної фази будуть вказувати на фазовий перехід до квадрупольного спінового стану.

При врахуванні одноіонної анізотропії легкоплощинного типу, парамагнітна фаза буде мати таку ж симетрію, що й квадрупольний спіновий стан. Однак, при малих значеннях константи одноіонної анізотропії I-ий рід фазового переходу із парамагнітного стану до квадрупольного спінового стану зберігається. Починаючи з деякого значення константи одноіонної анізотропії відбувається неперервна зміна компонент квадрупольного спінового моменту. Але незважаючи на це, аномальний характер температурної залежності величини параметра порядку і МС при ТTQ зберігається, і така аномалія МС відбувається задовго до виникнення ФМ фази.

У висновках узагальнені результати дисертаційної роботи та сформульовані основні висновки.

Висновки

В дисертаційній роботі, яка присвячена дослідженню магнітного впорядкування у високосиметричних магнетиках, коли анізотропія та магнітострикція впливають на процес формування магнітного стану кристалу і визначають властивості магнітовпорядкованих станів, були отримані наступні основні результати:

1. Встановлено, що в легкоплощинних антиферомагнетиках CoCl2 і NiCl2 магнітопружні взаємодії мають двочастинкову (спін-спінову) природу: в CoCl2 основними є однопідграткові, а в NiCl2 міжпідграткові магнітопружні взаємодії. Показано, що вимушена магнітострикція однорідного стану пропорційна квадрату напруженості магнітного поля, а температурна залежність спонтанної стрикції CoCl2 визначається “незамороженістю” орбітального моменту іонів Co++, що призводить до значної нелінійності міжспінових взаємодій ефективного спін-гамільтоніану.

2. Показано, що в легкоплощинних антиферомагнетиках NiCl2 та CoCl2 рівноважний багатодоменний стан має магнітопружну природу. При його перебудові під дією магнітного поля магнітострикція та намагніченість змінюються взаємозв'язано. Формування такого багатодоменного стану здійснюється за рахунок узгодження стрикції доменів з пружними полями дефектів структури кристалу.

3. Отримано, що в синглетних магнетиках з одноіонною анізотропією легкоплощинного типу магнітне поле, яке направлене уздовж осі важкого намагнічування і яке не понижує симетрії в площині, індукує фазовий перехід до магнітного стану, при якому параметром порядку є величина спінової поляризації, а фазове перетворення відбувається як магнітний фазовий перехід типу зміщення.

4. Побудовано термодинамічну теорію спонтанних магнітних фазових переходів типу зміщення в системах з S=1 і синглетним основним станом, коли параметром порядку є спінова поляризація.

5. Показано, що в одноосьовому феромагнетику конкуренція білінійної та одночастинкової анізотропій другого порядку може призвести до орієнтаційного фазового переходу.

6. Показано, що в системах з S=1 при гідростатичному стиску можуть відбуватися індуковані тиском магнітні фазові переходи типу зміщення, які супроводжуються магнітним колапсом.

7. Отримано, що спонтанне пониження симетрії в легкоплощинному феромагнетику з S=1 при індукованому магнітним полем магнітному фазовому переході типу зміщення супроводжується магнітострикцією, величини якої лінійно залежать від напруженості магнітного поля.

8. Показано, що в феромагнетику з S=1, коли біквадратичний обмін порівнянний чи більший білінійного обміну, має спостерігатися високотемпературна аномалія для магнітострикції, яка відбувається заздалегідь до точки феромагнітного впорядкування.

Список опублікованих праць

магнітний антиферомагнетик залізо

1. Калита В.М. Локтєв В.М. Про термодинамічний опис магнітного впорядкування спінових систем з S=1 // УФЖ. -1995. - Т. 40, № 3. - С.235-240.

2. Калита В.М., Лозенко А.Ф. Об особенностях температурной зависимости магнитострикции NiCl2 // ФНТ. - 1995. - Т.21, № 6. - С.671-674.

3. Калита В.М., Лозенко А.Ф. Проявление негейзенберговских взаимодействий в температурной зависимости частоты ЯМР кристалла NiCl2 // ФНТ. - 1997. - Т.23, №4. - с.399-401.

4. Калита В.М., Лозенко А.Ф., Рябченко С.М., Троценко П.О. Магнітопружність і доменна структура в антиферомагнітних кристалах групи заліза // УФЖ . - 1998. - Т. 43, № 11. - С. 1469- 1486.

5. Калита В.М., Лозенко А.Ф. Описание упорядочения температурной зависимости восприимчивости и магнитострикции одноподрешеточной системы спинов с S=1 и большим биквадратичным обменом // ФНТ. - 1998. - Т.24, №10. - С.958-964.

6. Калита В.М., Лозенко А.Ф. Рябченко С.М. Температурно-полевые особенности магнитострикции в антиферромагнитной фазе легкоплоскостного антиферромагнетика CoCl2 // ФНТ. -2000. - Т.26, № .7 - С.671-677.

7. Kalita V.M., Lozenko A.F. Ryabchenko S.M., Trotsenko P.O. Investigation of Magneto-Elastic Domains in Easy-Plane Antiferromagnets // Materials Science Forum. - 2001.- Vol. 373-376. - P.57-62.

8. Калита В.М., Лозенко А.Ф. О магнитоупругой природе антиферромагнитных доменов в легкоплоскостных кристаллах дигалидов группы железа // ФНТ. - 2001. - Т.27, №5. - С.489-494.

9. Калита В.М., Лозенко А.Ф. Магнитострикция при перестройке доменной структуры легкоплоскостного антиферромагнетика в случае магнитоупругого механизма его многодоменности // ФНТ. - 2001. - Т.27, №8. - С.872-878.

10. Калита В.М., Лозенко А.Ф. О негейзенберговском вкладе в межспиновые взаимодействия антиферромагнетика с S=3/2 // ФНТ. - 2002. - Т.28, №1. - С.91-94.

11. Калита В.М., Лозенко А.Ф., Троценко П.А. Магнитострикция антиферромагнетика NiCl2 в однородном и многодоменном состояниях // ФНТ. - 2002. - Т.28, №4. - С. 378-383.

12. Калита В.М., Иванова И.М., Локтев В.М. Особенности намагничивания антиферромагнетика с одноионной анизотропией типа "легкая плоскость" и со спинами ионов S=1 // ФНТ. - 2002. - Т.28, №6. - С.667-670.

13. Калита В.М., Локтев В.М. К теории магнитных фазовых переходов в магнетиках с большой одноионной анизотропией // ФНТ. - 2002. - Т.28, №.12 - С.1244-1250.

14. Калита В.М. Локтев В.М. О магнитных фазовых переходах типа смещения при спиновом упорядочении в магнетиках с сильной одноионной анизотропией // ФТТ. - 2003. - Т. 45, № 8. - С.1450-1455.

15. Калита В.М., Лозенко А.Ф., Троценко П.А., Яткевич Т.М. Феноменологическое описание многодоменного состояния легкоплоскостного антиферромагнетика NiCl2 // ФНТ. - 2004. - Т.30, №1. - С.38-46.

Размещено на Allbest.ru