Эффекты кристаллического поля и квадрупольных взаимодействий в редкоземельных цирконах, страница 3

Адиабатические кривые намагничивания и магнитокалорическийэффект PrVO4 при H||[001] для разных начальных температур T0.РасчетыэффектаЗеемана,намагниченности,восприимчивости,теплоемкости и МКЭ в импульсных полях были произведены на основегамильтониана(1)свзаимодействияиз[6].использованиемпараметровПараметрыбылиКПсверхтонкогоопределеныизспектроскопической информации [6] с данными для начальной магнитной2 ,0-10Å, ñì-2-41 ,2-643344454647H , Òë20 ,8P rV OC, 10-23Äæ/Ê·ô î ðì .åä.1 ,64H ||[0 0 1 ]T 0= 4 .2 K0 ,410 ,044464850H , ÒëРис.5.

Полевые зависимости ядерной (1), электронной (2) и полной (3)теплоемкостей PrVO4 при адиабатическом намагничивании вдольтетрагональной оси, Т0=4.2 К. На вставке показан фрагмент эффектаЗеемана для двух нижних уровней с учетом сверхтонкого взаимодействия.восприимчивости [6, 7] и уточненным значением поля кроссовера. На рис.3приведена экспериментальная, измеренная в Российском ФедеральномЯдерном Центре, и теоретическая зависимости ДМВ монокристалла PrVO4для H||[001].

Видно, что пик изотермической кривой, рассчитанной приT=4.2 K, шире экспериментального – это свидетельствует об охлажденииобразца.Пик,вычисленныйвпредположенииадиабатичностинамагничивания, уже экспериментального. Из рис.4 видно, что МКЭ вPrVO4 аномален, отсутствует нагревание образца при вводе поля, образецсильно охлаждается при приближении к HC.

Характер МКЭ меняется приизменении T0 в корреляции с изменением кривой намагничивания (рис.4).Рассчитанные при Т0=4.2 К полевые зависимости теплоемкостей (рис.5)показывают существенную роль ядерной теплоемкости вблизи кроссовераинесимметричностьнесимметричностиСЭЛ(Н)связанасотносительноразнымиНС.Природавеличинамиэтойсверхтонкогорасщепления нижних пересекающихся уровней иона Pr3+ и понятна извставки к рис.5.Измерения ДМВ при разных начальных температурах, проведенные вБерлинском университете им.

Гумбольдта в импульсных полях, позволилиуточнить значение НС, которое оказалось равным 50 Тл, и обсудитьизвестную в литературе [8] проблему увеличения времен спин-решеточнойрелаксации в ван-флековских парамагнетиках при понижении температурыниже 1 К. Отличие экспериментальной и теоретической адиабатическойкривых dM/dH, например, при T0=21 K заметно меньше, чем при T0=7.5 K.Это свидетельствует о меньшем охлаждении образца вблизи НС при T0=21К, чем при более низких T0 (см. кривые при разных T0 на рис.4).Втретьемпараграфеобсуждаютсямагнитныеаномалииприкроссовере в HoVO4 в связи с МКЭ. Показано сходство эффектов Зеемана ивсех магнитных аномалий для синглетных парамагнетиков HoVO4 и PrVO4,рассчитанных с учетом сверхтонкого взаимодействия. Обнаружен второйкроссовер в поле ~310 Тл для H||[001], при котором намагниченностьсоединения возрастает до номинальной в 10 µB/форм.ед.В пятой главе на примере тетрагонального парамагнетика соструктуройцирконаDyPO4показано,чтонарядусмагнитнымианомалиями при взаимодействии энергетических уровней имеют место иособенности поведения магнитострикции, которые никогда ранее неисследовались.400H ||[1 0 0 ]D yP O 4300Å, ñì-12001000-1 0 00H ||[1 1 0 ]H ||[1 0 0 ]-1-2l100, 10-3T 0 = 4 .2 K-3-4010203040Í , ÒëРис.6.

Эффект Зеемана для H||[100] (вверху) и изотермические (сплошные)и адиабатические (штриховые) кривые продольной магнитострикции(внизу) для H||[100] и H||[110] DyPO4.Показано, что для любого направления поля в базисной плоскостипроисходитприближениевозбужденныхуровнейкосновномуспоследующим расталкиванием. Максимальное сближение имеет местовблизи 16 Тл для H||[100] с параметрами КП, взятыми из работы [9] (рис.6).Для H||[110] сближение уровней происходит вблизи 22 Тл и второй раз – вполях~300Тл.Намагнитныххарактеристикахвзаимодействиепроявляется в виде скачка на изотермической кривой намагничивания ипика ДМВ. При намагничивании в импульсных магнитных полях, когдапроцесс близок к адиабатическому, с учетом МКЭ эти аномалии остаютсяярко выраженными.Рассчитаны полевые зависимости магнитострикции вдоль различныхнаправлений через вычисленные квадрупольные моменты O20 , Pxy и O22ионаDy3+визотермическихиадиабатическихусловиях.МУкоэффициенты были также взяты из работы [9].

На рис.6 хорошо видныаномалиипродольноймагнитострикцииDyPO4,которыелишьнезначительно сглаживаются в адиабатическом режиме.ЗАКЛЮЧЕНИЕГлавный результат диссертации – это предсказание и расчетэффектов, связанных с пересечением энергетических уровней РЗ ионов вмагнитном поле и квадрупольными взаимодействиями, в РЗ цирконах, атакже количественная интерпретация имеющихся экспериментальныхданных и определение параметров исследованных соединений.ТеоретическоекристалловисследованиеDyVO4ианомалийTbVO4,тепловогообусловленныхрасширенияупорядочениемквадрупольных моментов РЗ ионов, впервые на примере структурыцирконапродемонстрировалопроявлениеполносимметричныхМУвзаимодействий в области структурного перехода.

В рамках общегоформализмаэлементарнойКПпроведеныромбическойрасчетыМУячейкиотвкладоввпараметрыполносимметричныхинизкосимметричных мод. Хотя вклад от полносимметричных мод изаметно меньше вклада от доминирующей ЯТ моды в силу иерархии МУ иупругих коэффициентов в структуре циркона, обнаружено, что он приводитк наблюдаемым МУ эффектам. Из сравнения с экспериментом найдены МУкоэффициенты Bδ и Bγ.Рассчитан эффект Зеемана для РЗ ионов в тетрагональном КПструктуры циркона, который предсказывает многочисленные пересеченияуровней в сильном и сверхсильном магнитном поле.

Для YbPO4сопоставлениерассчитанныхвпредположенииадиабатичностинамагничивания в импульсных полях кривых ДМВ с экспериментомпозволило выявить магнитные аномалии, причиной которых являетсякроссовер при H||[001] вблизи 280 Тл, и установить характер МКЭ.Показано, что для синглетных ван-флековских парамагнетиков PrVO4и HoVO4 вблизи поля кроссовера очень важную роль играет сверхтонкоевзаимодействие, которое модифицирует электронную теплоемкость иформирует ядерную через сверхтонкое расщепление электронного иядерного спектров.

Выявлен существенно разный вид всех аномалий,связанных с кроссовером, в синглетных парамагнетиках и в парамагнетикахс крамерсовскими ионами, что обусловлено разным характером начальногонамагничивания этих соединений. В синглетных парамагнетиках всеособенности вблизи кроссовера в адиабатическом режиме более ярковыражены, чем в изотермическом. МКЭ в них аномален – отсутствуетпервоначальное нагревание образца при вводе поля и происходит егосущественноеохлаждениевблизикроссовера.Сравнениеэкспериментальных и рассчитанных для адиабатического режима ДМВ приразных начальных температурах позволяет предположить увеличениевремен спин-решеточной релаксации при понижении температуры образцаниже 1 К вблизи кроссовера.Впервые предсказаны МУ аномалии, связанные с взаимодействиемэнергетических уровней РЗ иона в магнитном поле.

На примере DyPO4показано, что взаимодействие двух нижних крамерсовых дублетов ионаDy3+ для произвольной ориентации магнитного поля в базисной плоскостидолжно проявиться в особенностях магнитострикции. Рассчитанные впредположении адиабатичности намагничивания в импульсных поляханомалии намагниченности, ДМВ, магнитострикции и квадрупольныхмоментов, а также МКЭ представляют богатую возможность дляэкспериментатора выбрать оптимальную ситуацию для измерений вимпульсных полях.Цитированная литература.1. Gehring G.

A., Gehring K. A.//Rep. Prog. Phys. - 1975. - V.38. - P.1-89.2. Morin P., Rouchy J., Schmitt D.//Phys. Rev. B. - 1988. - V.37. - P.5401-5413.3. Казей З.А., Колмакова Н.П.//ЖЭТФ. - 1996. - T.109. - C.1687-1703.4. Wybourne B.G. Spectroscopic Properties of Rare-Earths. - N.Y.: Interscience,1965. - 236 p.5. Aminov L.K., Malkin B.Z., Teplov M.A. Magnetic properties of nonmetalliclanthanide compounds//Handbook on the Physics and Chemistry of RareEarths, ed. Gschneidner K.A. Jr., Eyring L.

- Amsterdam: Elsevier Science. 1996, V.22. - P.295-506.6. Bleaney B., Harley R.T., Ryan J.F., Wells M.R., Wiltshire M.C.K.//J. Phys. C:Solid State Phys. - 1978. - V.11. - P.3059-3069.7. Андроненко Р.Р., Андроненко С.И., Бажан А.Н.//ФТТ. - 1994. - T.36. C.2396-2401.8. Альтшулер С.А., Козырев Б.M. Электронный парамагнитный резонанссоединений элементов промежуточных групп. - M.: Наука, 1972. - 672 с.9. Morin P., Kazei Z.//J.Phys.: Condens. Matter. - 1999. - V.11.

- P.1289-1304.Основные публикации по теме диссертации1. Казей З.А., Колмакова Н.П., Левитин Р.З., Платонов В.В., СидоренкоА.А., Таценко О.М. Исследование эффектов пересечения уровней втетрагональном парамагнетике YbPO4 в сверхсильном магнитном поледо 400 Т//Письма в ЖЭТФ. - 1997- T.65. - N9. - C.691-694.2. Казей З.А., Колмакова Н.П., Сидоренко А.А., Такунов Л.В. Аномалиитеплового расширения TbVO4, обусловленные кооперативным эффектомЯна-Теллера//ФТТ. - 1998. - T.40.

- N9. - C.1663-1666.3. Kazei Z.A., Kolmakova N.P., Levitin R.Z., Platonov V.V., Sidorenko A.A.,Tatsenko O.M. Energy level crossing and magnetocaloric effect in YbPO4 inultrahigh pulsed fields//Physica B. - 1998. - V.246-247. - P.483-486.4. Казей З.А., Колмакова Н.П., Крынецкий И.Б., Сидоренко А.А., ТакуновЛ.В.АномалиитепловогорасширенияDyVO4,обусловленныеквадрупольным упорядочением//ФТТ. - 2000. - T.42 - N2. - C.278-283.5. Kazei Z.A., Levitin R.Z., Kolmakova N.P., Sidorenko A.A., Platonov V.V.,Tatsenko O.M.

Energy level crossing and magnetocaloric effect in YbPO4 inultrahigh pulsed fields//Abstr. of 5th Int. Symp. on Res. In High Magn. Fields,Sydney, Australia, 1997, P.WP24.6. Kazei Z.A., Kolmakova N.P., Krynetskii I.B., Sidorenko A.A., Takunov L.V.Thermal expansion anomalies in rare-earth vanadates RVO4, R=Tb, Dy, due tocooperative Jahn-Teller effect//Abstr. of 7th Europ. Magn. Mater. and Appl.Conf., Zaragoza, Spain, 1998, p.215.7. KazeiZ.A.,KolmakovaN.P.,SidorenkoA.A.,SnegirevV.V.Magnetostriction peculiarities caused by an energy level interaction at highmagnetic fields in DyPO4//Abstr.