Магнитные и магнитотепловые свойства гадолиния, тербия и гольмия в области магнитных фазовых переходов (1103560), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Онасостоит в нормировке кривых Tad относительно ихи перенормировке оси температур в соответствии с формулой T TC Tr TC гдемаксимума(12)Tr – температура в точке кривой, для которой выполняется соотношениеTad Tadpk k при T TC , и k – константа, меньшая любой наперед заданнойвеличины, которая вводится для выбора эквивалентных точек на разныхэкспериментальных кривых при той же самой приведенной температуре 1 .16На рисунке 5 изображена универсальная кривая, построенная дляэкспериментальных кривых Tad (Т , Н ) .Рисунок 5. Универсальная криваядлякривыхадиабатическогоизменениятемпературы.Сплошнаялинияизображаетусреднениеразличныхкривых,соответствующихразличнымполям.Корректность предложеннойпроцедурыможно проверить,построив полевую зависимостьTr : онаопорнойтемпературыизменяется с полем точно так же, как и Tad .
Дальнейшая проверка показала,что температура максимума адиабатического изменения температуры, Tpk,меняется с полем аналогичным образом, что подтверждает правильностьпроцедуры.В четвертой главе исследуются магнитные и магнитотепловые свойствамонокристалла тербия, и уточняется его фазовая диаграмма.Измерения намагниченности, восприимчивости и теплоемкостипозволили построить магнитную фазовую диаграмму тербия вдоль оси легкогонамагничивания b (рисунок 6a,b).Рисунок 6. (a) Магнитная фазовая диаграмма монокристалла Tb в интервалетемператур от 218 до 234 K в полях 0–6 кЭ. (b) Фазовая диаграммав низкополевой области до 130 Э.АФМ фаза типа геликоид существует в диапазоне ~ 222–228 Kв магнитном поле менее 155 Э. Зависимость критического поля от температурыHcrit(T) имеет симметричный вид с очевидным максимумом при 226 K.В температурном интервале между точкой Кюри и температурой, в которойdH crit 0 , и эта часть кривойнаблюдается максимум, производнаяdT17представляет собой фазовую границу перехода первого рода ФМ–АФМ.dH crit 0 , кривая Hcrit(T) является фазовойС другой стороны, в области, гдеdTграницей перехода второго рода АФМ–ПМ.
Поэтому граница перехода первогорода должна трансформироваться в фазовую границу второго рода в некоторойкритической точке. В тербии эта трикритическая точка расположена притемпературе 226 K и поле 155 Э. Положение этой точки на магнитной фазовойдиаграмме тербия показывает, что переход ФМ–АФМ – первого рода, переходАФМ–ПМ – второго рода.
Переход между геликоидальным упорядочениеми структурой веерного типа ниже трикритической точки является переходомпервого рода, тогда как при температуре выше 226 K он становится фазовымпереходом второго рода. Важно отметить, что в работе [33] в ходеисследования магнитных свойств монокристалла тербия была найденатрикритическая точка – 228,5 К (значение температуры Нееля составило 230 К).При этом авторы непосредственно увязывают существование этой точкис возникновением веерного магнитного упорядочения, которое возникаетв диапазоне температур от трикритической точки до точки Нееля согласноизмерениям намагниченности. Однако данная фаза не включена в построеннуюфазовую диаграмму (рисунок 3 [33]), поэтому не представляется возможнымпроверить достоверность определения положения трикритической точки и,в целом, факт ее существования.С увеличением магнитного поля в том же температурном интервале,в полях до 5 кЭ наблюдается широкая область существования промежуточнойфазы.
Согласно теоретическим исследованиям [34] и экспериментампо измерению упругих констант [35] в настоящей работе сделанопредположение о том, что в этой области существует веерная структура.Положение фазовых границ, определенных по аномалиям измеренных свойств,позволяет определить примерные границы существования этой фазы. Веернаяфаза существует между ФМ и ПМ областями упорядочения, то естьв температурном диапазоне 222 – 227 K и максимальным значением поля 5 кЭ.В низкополевой области она замещается геликоидальным АФМупорядочением.
Веерная фаза исчезает при ~ 227,3 K в поле ~ 5 кЭ.Характерной особенностью фазовой диаграммы, представленной в настоящейработе, является достаточно широкая область существования веерной фазы.В результате анализа ранее выполненных исследований удалось обнаружитьтолько одну работу, содержащую фазовую диаграмму тербия с веерной фазой[36], другие авторы даже не включали эту фазу в диаграмму, так какеесуществование,вероятно,былодоказанотолькооднойиз экспериментальных методик. Однако, окончательное решение вопросао существовании структуры типа веер в тербии по-прежнему остаетсяоткрытым, так как теоретические вычисления из первых принциповне позволяют проводить расчеты скошенных (подобных вееру) структурв тяжелых РЗМ.
Для более точного определения типа магнитного упорядочения18в указанном диапазоне необходимы детальные исследования упругогорассеяния тепловых нейтронов на монокристаллическом тербии.В полях, превышающих 5 кЭ, после того, как веерная фаза полностьюподавляется, граница между ФМ и ПМ фазами начинает медленно смещатьсяв сторону более высоких температур – до значения 228 K в поле 75 кЭ –с увеличением магнитного поля, что является типичным поведением длятемпературы Кюри. При температуре выше 228 К тербий становитсяпарамагнетиком.В пятой главе исследуются магнитные и магнитотепловые свойствамонокристалла гольмия, и уточняется его фазовая диаграмма.Кромерезультатов,полученныхспомощьютрадиционныхэкспериментальных методик, в главе приводятся данные изучения явленияАндреевского отражения на границе Nb/Ho (сверхпроводник/ферромагнетик)с целью обнаружения предсказанного теоретически аномального эффектавозникновения куперовской пары в триплетном состоянии и косвенногоподтверждения существования ферромагнитного упорядочения типа конусв области низких температур.
В результате измерения Андреевских спектровдля монокристалла и тонкой пленки гольмия были рассчитаны значенияспиновой поляризации P и безразмерного параметра поверхности Z. На рисунке7a,b представлено поведение параметров P и Z для трех отдельныхсверхпроводящих контактов монокристалла, а на рисунке 7c,d поведение тех жепараметров для двух отдельных контактов тонкой пленки в зависимостиот сопротивления контакта RCB .Рисунок 7. Зависимость степени спиновой поляризации P (a) и параметраповерхности Z(b) от сопротивления контакта RCB для спектров, снятыхна монокристалле Ho. Зависимость степени спиновой поляризации P (с)и параметра поверхности Z(d) от сопротивления контакта RCB для спектров,снятых на тонкой пленке Ho (незакрашенные символы), на тонкой пленкеNi19Pd81 (закрашенные символы), и медной фольге (крест).Поведение спектров меняется похожим и необычным образомс увеличением давления контакта.
На обоих типах образцов при очень низкихзначениях RCB (увеличенное давление сверхпроводящего контакта),19Z аномально и резко возрастает, при этом P испытывает соответствующеерезкое падение. При непосредственном рассмотрении спектров становитсяясно, что заострение спектров при уменьшении RCB свидетельствует о том, чтоэффективный поверхностный барьер увеличивается (особенно это заметнона монокристалле). Для того, чтобы доказать необычность такого поведения,аналогичный эксперимент был проведен со сверхпроводящим Nb контактоми медной фольгой. Результаты показаны на рисунке 7d: Z медленно убываетс уменьшением RCB в результате увеличивающейся проницаемостиповерхности раздела контакта и фольги (для меди, P = 0%). Таким образом,очевидное увеличение параметра Z с уменьшением сопротивления контактав случае гольмия – реально существующий аномальный эффект.
Можнопредположить, что такое поведение свидетельствует о новом типе спиновогорассеяния, которое также приводит к уменьшению степени спиновойполяризации P. Изменения, наблюдаемые в поведении P и Z, дают возможностьсделать предположение о том, что механизм рассеяния, обнаруженныйпри низких значениях RCB , свидетельствует о том, что действительнопроисходит смешивание спиновых состояний, что является предвозвестникоманомального эффекта близости возникновения триплетного состояния (то есть,P уменьшается при увеличении рассеяния).Все измеренные физические свойства гольмия показывают наличиемножества зависящих от температуры и величины магнитного поля аномалий.На рисунке 8a,b представлена магнитная фазовая H–T диаграммамонокристалла гольмия вдоль оси легкого намагничивания.Рисунок 8.
(a) Магнитная фазовая диаграмма монокристалла Ho в интервалетемператур от 1,5 до 140 K в полях 0–100 кЭ. (b) Фазовая диаграммав области магнитных полей до 35 кЭ.Гольмий является ферромагнетиком ниже температуры Кюри (TC = 20 K)и антиферромагнитен в диапазоне между температурой Кюри и температуройНееля (TN = 131 K) в диапазоне магнитных полей от 0 до ~ 30 кЭ. Аномалии,связанные с наличием ферромагнитного упорядочения типа конус (ось конусанаправлена вдоль оси трудного намагничивания c ГПУ структуры) в слабых20магнитных полях (до 2 кЭ) и при низких температурах (< 20 K), детальнопоказаны на рисунке 8b. Также были обнаружены аномалии, представляющиепереходы в промежуточные фазы типа веер со структурой геликоида и«простой» веер (по мере увеличения магнитного поля) при трансформацииантиферромагнитной фазы в ферромагнитную в области температур от 45 до95 К.
Тип геликоида не может быть определен посредством косвенныхизмерений, проведенных в настоящей работе. По теоретическим оценкамнаиболее вероятным в гольмии признается существование геликоида типа3/2 [17]. Тем не менее, для точного определения типа геликода требуютсянейтронографические исследования.Кроме того, в работе была обнаружена промежуточная областьсосуществования двух фаз между веерной и ферромагнитной фазами, котораябыла названа «ферро+веер».
По сравнению с пятью промежуточными фазами,наблюдавшимися ранее [37] на основании измерений магнитосопротивления,в настоящей работе наблюдается только одна фаза, причем можнопредположить, что, несмотря на высокую чистоту кристаллов, примесныеэффекты все еще играют существенную роль в тех областях фазовойдиаграммы, которые являются наиболее чувствительными к действиюмагнитного поля (промежуточные метастабильные фазы). Эти примеси могутоказаться причиной смешанных фазовых состояний, например «ферро+веер»,которые сочетают в себе особенности как веерной, так и ферромагнитнойструктуры.Обширная область на фазовой диаграмме между ~ 95 K и температуройНееля в диапазоне полей от 30 до 80 кЭ связана с наличием соизмеримой спинслип структуры, признак которой наблюдался в магнитных измерениях при98 K ранее [38]. Однако, точные границы существования указанной структурыдо сих пор определены не были.
При температурах выше 131,7 K гольмийявляется парамагнетиком. Две области существования спин-слип структурнаблюдаются между 20 и 35 K (I) и между 35 и 42 K (II). Существованиеподобных структур ранее уже предсказывалось [39], однако до сих не былоэкспериментальногоподтверждениясуществованияэтихструктурс использованием различных экспериментальных методик. Более того,в настоящей работе установлены точные границы существования этих фаз.За пределами температурного диапазона 19–128 K и интервала полей от 10 до80 кЭ гольмий является типичным ферромагнетиком.Основные результаты и выводы1. Проведены комплексные исследования магнитных и магнитотепловыхсвойств высокочистых монокристаллов гадолиния, тербия и гольмияв области температур 4,2–350 К в постоянных магнитных полях до 10 Тл.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
