Эффекты кристаллического поля и квадрупольных взаимодействий в редкоземельных цирконах

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М. В. ЛОМОНОСОВА_____________________________________________________________ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиУДК 537.61+537.622СИДОРЕНКО АНДРЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧЭФФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ПОЛЯ И КВАДРУПОЛЬНЫХВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЦИРКОНАХСпециальность 01. 04. 11 - физика магнитных явленийАвторефератдиссертации на соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукМосква – 2000РаботавыполненанакафедреобщейфизикиБрянскогогосударственного технического университетаНаучные руководители:доктор физико-математических наук,профессор Колмакова Н. П.доктор физико-математических наукКазей З.А.Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Попов А.И.доктор физико-математических наук,старший научный сотрудникГаньшина Е.А.Ведущая организация:Институт химической физикиим.

Н.Н.Семенова РАНЗащита состоится “20” апреля 2000 г. в 1530 час. на заседанииспециализированного совета N 3 ОФТТ (К.053.05.77) в МГУ им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Воробьевы горы, ГСП, МГУ,физический факультет, аудитория ЮФА.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическогофакультета МГУ им.

М.В. Ломоносова.Автореферат разослан “_16_” марта 2000 г.Ученый секретарьспециализированного советакандидат физико-математических наук,доцентО.А. КотельниковаОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Окисные соединения на основе редкоземельных(РЗ) элементов характеризуются большим разнообразием магнитных,магнитоупругих, магнитооптических, резонансных, оптических и другихфизических свойств. Это обстоятельство обуславливает их широкоеиспользованиевычислительнойвкачестветехнике,рабочихприкладнойматериаловвмагнитооптике,лазернойвиразличныхустройствах микроэлектроники, магнитоакустики и т.д.Исследование РЗ соединений важно не только с точки зрения ихпрактического применения.

Поскольку в формировании их физическихсвойствважнейшуюрольиграюткристаллическоеполе(КП)имагнитоупругое (МУ) взаимодействие, а для некоторых РЗ соединенийтакжезначительноеян-теллеровское(ЯТ)взаимодействие,такиеисследования позволяют решать проблемы, имеющие фундаментальноезначение для физики твердого тела. В частности, они способствуютвыяснению фундаментальных вопросов магнетизма: природы КП, МУ иквадрупольного взаимодействий, магнитной анизотропии, проявленийсверхтонкого взаимодействия и механизмов спин-решеточной релаксации.В качестве объектов исследований были выбраны РЗ окисныесоединения со структурой циркона RXO4, X=P, V. РЗ ионы впарамагнитныхсоединенияхстетрагональнойструктуройцирконахарактеризуются богатым слабо вырожденным энергетическим спектром,который благоприятен для эффектов пересечения или взаимодействияэнергетических уровней. Отсутствие неэквивалентных позиций для РЗионов позволяет наблюдать яркие магнитные и МУ аномалии в этихсоединениях, которые связаны с взаимодействием энергетических уровней.Соединения RXO4 характеризуются значительными одноионным МУ ипарнымквадрупольнымвзаимодействиями,которыеприводятксущественным МУ эффектам и в ряде случаев (TbVO4, DyVO4, TmVO4) кспонтанному упорядочению квадрупольных моментов РЗ ионов [1].

Этоупорядочение сопровождается ромбической деформацией кристаллическойрешетки и составляет суть структурных фазовых переходов ЯТ природы –кооперативный эффект Яна-Теллера.К настоящему времени накоплен большой объем спектроскопическойинформации, которая позволяет количественно решать задачи о влиянии РЗионов на формирование свойств РЗ соединений с использованиемадекватных методов расчета на основе гамильтонианов, определяемых насоответствующем решаемой задаче базисе.Целью работы являлось теоретическое исследование магнитных иМУ свойств РЗ соединений со структурой циркона, обусловленных КП иквадрупольным взаимодействием.Выполненные в работе исследования были направлены на решениеследующих конкретных задач:• изучение теплового расширения РЗ соединений в области структурногофазового перехода ЯТ природы;• расчет аномалий магнитных (намагниченность, дифференциальнаямагнитнаявосприимчивость(ДМВ),магнитокалорическийэффект(МКЭ) в импульсных полях) и МУ (магнитострикция) свойств РЗцирконов, связанных с взаимодействием энергетических уровней РЗ ионав сильных и сверхсильных полях;• интерпретациясоответствующихэкспериментальныхданныхиопределение параметров соединений.Научная новизна и защищаемые результаты.

Получены ивыносятся на защиту следующие научные результаты:− Теоретически исследовано тепловое расширение кристаллов DyVO4 иTbVO4 в области структурного фазового перехода ЯТ природы и впервыенапримереструктурыцирконапродемонстрированопроявлениеполносимметричных МУ взаимодействий при этом переходе. Показано,что обнаруженные экспериментально на температурных зависимостяхпараметров элементарной ромбической ячейки, а также тепловогорасширения вдоль неактивного ян-теллеровского направления при Т<TCхарактерные МУ аномалии обусловлены упорядочением квадрупольныхмоментов O22 для DyVO4 и Pxy для TbVO4.− Дляструктурыцирконаобнаруженыэффектывзаимодействияэнергетических уровней (кроссовер) в сильных и сверхсильных полях(YbPO4,DyPO4,PrVO4,HoVO4).Исследованыособенностиихпроявления на магнитных и МУ свойствах в изотермическом иадиабатическомрежимахприрасчетахэффектаЗеемана,намагниченности, ДМВ, квадрупольных моментов и магнитострикциидля произвольных ориентаций поля.− Установлено, что наблюдаемый на эксперименте в YbPO4 широкиймаксимум ДМВ вблизи 280 Тл для поля вдоль тетрагональной оси связанспересечениемРассчитанныйнижнихвэнергетическихпредположенииуровнейионаадиабатичностиYb3+.процессанамагничивания в импульсных полях МКЭ имеет немонотоннуюзависимость от поля и сопровождается значительным охлаждениемкристалла вблизи кроссовера.− ПоказананомальныйхарактерМКЭприадиабатическомнамагничивании ван-флековских парамагнетиков PrVO4 и HoVO4 вдольнаправленийполяскроссовером,прикоторомотсутствуетпервоначальное нагревание образца при вводе поля и происходитсущественное его охлаждение при приближении к полю кроссовера.Продемонстрированачрезвычайноважнаярольсверхтонкоговзаимодействия для магнитных аномалий вблизи кроссовера в PrVO4 иHoVO4, которые являются усиленными ядерными магнетиками.− Впервые предсказаны наличие и характер аномалий МУ свойств прикроссовере на примере магнитострикции DyPO4.

Показано, что в этомсоединении для направлений поля в базисной плоскости как визотермическом, так и в адиабатическом режимах имеются ярковыраженные аномалии и намагниченности, и магнитострикции. МКЭ вадиабатическомрежимехарактеризуетсяотсутствиемохлажденияобразца вблизи поля кроссовера, что связано со сложным характеромвзаимодействия энергетических уровней иона Dy3+.Теоретическаяипрактическаязначимостьполученныхрезультатов. Полученная в работе информация о магнитных и МУсвойствах и их аномалиях, обусловленных кроссовером и квадрупольнымвзаимодействием, РЗ цирконов может быть использована для разработкифизических основ получения новых магнитных материалов с заданнымисвойствами.Апробацияработы.Основныерезультаты,представленныевдиссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях:5th International Symposium on Research in High Magnetic Fields (Sydney,Australia, 1997); 7th European Magnetic Materials and Applications Conference(Zaragoza, Spain, 1998); 8th International Conference on Megagauss MagneticFields Generation and Related Phenomena (Tallahassi, USA, 1998); EuropeanConference “Physics of Magnetism’99” (Poznan, Poland, 1999); 22ndInternational Conference on Low Temperature Physics (Espoo and Helsinki,Finland, 1999); VI Международная конференция аспирантов и студентов пофундаментальным наукам “ЛОМОНОСОВ-99” (МГУ, Москва, 1999); 54я,55я научные конференциипрофессорско-преподавательскогосостава(БГТУ, Брянск, 1998, 1999).Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 12 печатныхработ и одна работа принята к печати.Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит извведения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на157 страницах машинописного текста и содержит: рисунков – 43, таблиц 4, список литературы из 125 наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВовведенииобосновываетсяактуальностьтемыдиссертации,сформулированы ее основные цели и конкретные задачи. Показана еенаучная новизна и практическая ценность. Кратко изложено содержаниеработы по главам.Первая глава диссертации является литературным обзором.

В нейрассмотреныосновныевидыэффектовКПиквадрупольноговзаимодействия в РЗ соединениях: МУ вклад в тепловое расширение,магнитострикция,структурныефазовыепереходыян-теллеровскойприроды и взаимодействие (пересечение) энергетических уровней РЗ ионаво внешнем магнитном поле. Охарактеризованы объекты исследований –РЗ парамагнитные соединения с тетрагональной структурой циркона ихимическойформулойRXO4,гдеX=PилиV.Обсуждаютсякристаллическая структура, иерархия величин параметров взаимодействий,схема нижних энергетических уровней РЗ ионов и типы деформаций,которые могут снять вырождение спектра РЗ иона.Описаны методы расчета МУ и квадрупольных эффектов в РЗсоединенияхтетрагональнойсимметрии.Показанаограниченностьпсевдоспинового формализма и преимущества формализма обобщенныхвосприимчивостей [2].