Введение к работе
Актуальность работы
Одно из приоритетных направлений развития физики конденсированного состояния вещества связано с созданием и изучением новых материалов со специальными свойствами. В этой связи исследование необычных физических свойств соединений на основе редкоземельных (РЗ) элементов представляется важным и значимым как с точки зрения фундаментальной науки, так и для реализации различных технических приложений. Особенностью РЗ систем являются сильные электронные корреляции, которые приводят к значительной перенормировке спектра квазичастичных возбуждений и, вследствие этого, к появлению целого ряда аномалий физических характеристик и многообразию видов основного состояния. В такой ситуации магнитная структура соединений РЗ элементов определяется сложной конкуренцией взаимодействий различной природы (косвенного обмена через электроны проводимости, кристаллического электрического поля, гибридизации локализованных 4/-орбиталей с зонными состояниями и др.), что существенно затрудняет теоретическое описание этих материалов. При этом, несмотря на длительный период изучения указанных соединений, вопрос об учете эффектов сильных электронных корреляций, определяющих аномалии физических характеристик соединений на основе РЗ элементов, вплоть до настоящего времени остается актуальным.
Среди наиболее ярких примеров веществ с сильными электронными корреляциями выделяются РЗ гексабориды RB6. Благодаря простой кристаллической структуре гексабориды РЗ элементов являются модельными объектами для изучения природы магнитных взаимодействий и особенностей формирования основного состояния. При этом особенности электронной структуры указанных соединений приводят к необходимости учета корреляционных эффектов в RB6. В частности, исследуемые в данной работе гексабориды празеодима (РгВ6), неодима (NdB6) и гадолиния (GdB6) демонстрируют антиферромагнитный (АФМ) тип упорядочения моментов РЗ ионов, а гексаборид европия (ЕиВ6) является единственным ферромагнетиком (ФМ) среди соединений данного класса. Таким образом, изучение указанных гексаборидов начала и середины редкоземельного ряда дает уникальную возможность проследить эволюцию механизмов формирования основного состояния с ростом заполнения 4/-уровня РЗ иона, расположенного в одинаковом кристаллическом окружении кубической решетки В6.
Цели и задачи исследования
Для выяснения природы и особенностей формирования основного магнитного состояния РЗ гексаборидов RB6 (R=Pr, Nd, Gd) представляет интерес проведение измерений транспортных характеристик при гелиевых и промежуточных температурах, отвечающих парамагнитной (ПМ) и магнитоупорядоченным фазам в этих системах. Поэтому в число задач
настоящей работы включены прецизионные измерения магнитосопротивления и эффекта Холла RB6 (R=Pr, Nd, Gd), а также сопоставление полученных результатов между собой и с литературными данными для гексаборидов церия (СеВ6) и лантана (LaB6).
Для определения параметров и оценки характера анизотропии магнитной Н-Т фазовой диаграммы РЗ гексаборидов RB6 (R=Pr, Nd) представляет интерес проведение исследований низкотемпературной теплоемкости. Кроме того, данные измерения необходимы для сопоставления с результатами угловых и полевых зависимостей магнитосопротивления указанных систем.
С целью изучения влияния беспорядка замещения на амплитуду эффекта колоссального магнитосопротивления (КМС), а также на параметры ферромагнитного основного состояния гексаборида европия и твердых растворов замещения Eui_xCaxB6 (х=0.08, 0.17, 0.26) в число задач данной работы включено исследование магнитосопротивления и коэффициента Холла указанных РЗ гексаборидов. При этом особый интерес представляет сопоставление результатов, полученных для систем Eui_xCaxB6, с транспортными свойствами АФМ гексаборидов PrB6, NdB6 и GdB6.
Таким образом, в работе выполнено комплексное исследование транспортных и тепловых свойств соединений РгВ6, NdB6, GdB6, а также твердых растворов замещения Eui_xCaxB6 (х=0, 0.08, 0.17, 0.26) в широком диапазоне температур 2-300 К в магнитных полях до 90 кЭ.
Научная новизна исследований
Проведен комплексный анализ гальваномагнитных свойств (магнитосопротивление и коэффициент Холла) соединений PrB6, NdB6, GdB6 и твердых растворов замещения Eui_xCaxB6 (х=0, 0.08, 0.17, 0.26) в области температур 2-300 К в магнитных полях до 80 кЭ.
Выполненные измерения полевых зависимостей поперечного магнитосопротивления Ар(Н)/р соединений РгВ6 (Н||<100>, Н||<110>, Н||<111>), NdB6 (Н||<001>) и GdB6 (Н||<110>) позволили установить сложный знакопеременный характер магниторезистивного эффекта в магнитоу поряд оченных фазах указанных АФМ металлов. Для анализа полученных данных разработана процедура разделения вкладов в магнитосопротивление, позволяющая выделить наряду с отрицательным квадратичным вкладом 1) Лр/р^В(Г)Н2 (В(Т)<0) два добавочных вклада: 2) положительный линейный Лр/р^А(Т)Н и 3) знакопеременный ферромагнитный вклад с насыщением D(T,H). В рамках модели Иосиды, применяемой для изучения вклада 1), оценена величина локальной магнитной восприимчивости XiocfT). Полученные результаты исследований магнитосопротивления в парамагнитной и магнитоупорядоченных фазах PrB6, NdB6 и GdB6 обнаруживают общий характер поведения кривых Ар(Н)/р, связанный с определяющей ролью локальной спиновой поляризации 5<і-состояний РЗ ионов при формировании сложной магнитной структуры в этих соединениях.
Показано, что понижение температуры приводит к образованию магнитных кластеров наноразмера из локализованных магнитных моментов R3+ ионов и 5d-ферронов в изучаемых трехвалентных гексаборидах RB6 (R=Pr, Nd, Gd).
По результатам исследования магнитосопротивления и низкотемпературной теплоемкости (РгВ6, NdB6) восстановлена магнитная Н-Т фазовая диаграмма соединений РгВ6, NdB6 и GdB6. Из анализа угловых и полевых зависимостей магнитосопротивления РгВ6, измеренных для ориентации магнитного поля Н||<100> Н||<110> Н||<111>, обнаружена новая магнитная фаза АФМ2 в окрестности Тм, формирующаяся только для направления Н||<110>. Полученные результаты позволяют объяснить существующее противоречие в литературных данных, описывающих магнитную Н-Т фазовую диаграмму РгВ6 для Н||<110>.
Впервые подробно исследовано магнитосопротивление в АФМ и ПМ фазах GdB6. Из анализа полученных данных обнаружено влияние предыстории изменения температуры в интервале Т<А.1 К на характер гистерезисных особенностей на кривых Лр(Н)/р в L- и С фазах GdB6.
Выполнены детальные исследования коэффициента Холла РЗ гексаборидов PrB6, NdB6 и GdB6 при температурах 2-300 К в магнитном поле до 80 кЭ. Установлено, что в ПМ фазе указанных соединений коэффициент Холла практически не зависит от температуры и принимает следующие значения: Яя(РгВ6)~-(4.2±0.1)-10-4см3/Кл, ^(NdB6)~-(4±0.1) КҐ* см3/Кл и i^(GdB6)~-(4.02±0.1)-10 4 см3/Кл, соответствующие приведенной концентрации носителей заряда n/n4f(PrB6)~\.05, n/n4f(NdB6y^l.09, n/n4f(GdB6y^l.05. Анализ изменения величины TN в ряду Pr - Nd - Gd в рамках соотношения де Жена позволил сделать вывод о необходимости учета поляризации зонных 5<і-состояний для объяснения транспортных свойств соединений РгВ6, NdB6 и GdB6.
Выполненные в данной работе исследования полевых и угловых зависимостей магнитосопротивления и температурных зависимостей коэффициента Холла NdB6 позволили наблюдать аномалию на кривых Ар(Т)/р, р(ср)/р(0) и Rh(T) вблизи Т (NdB6)~4 К в области магнитных полей Н0>10 кЭ. Обнаруженная смена характера рассеяния носителей заряда при Т (NdB6) указывает на возможное изменение в электронной и магнитной структуре в АФМ фазе NdB6.
7. В результате исследования магнитосопротивления твердых растворов
замещения Eui_xCaxB6 (х=0, 0.08, 0.17, 0.26) получено прямое экспериментальное
подтверждение концентрационного перехода металл-изолятор (ПМИ) при
*м/~0.2. Обнаружено, что рост концентрации кальция до х=0.26 сопровождается
усилением эффекта КМС до рекордных для данного класса соединений значений
р(0)/р(Н)~7-105. Анализ магнитосопротивления Eui_xCaxB6 в рамках модели
Иосиды позволил оценить величину локальной магнитной восприимчивости и
установить кюри-вейссовский характер поведения кривой Хіос(Т) в интервале
температур ТС<Т<80 К. По полученным данным восстановлена х-Т фазовая
диаграмма твердых растворов замещения Eui_xCaxB6.
8. Исследования эффекта Холла гексаборидов ЕиВ6 и позволили
выполнить оценки величин коэффициента Холла Rh(T), холловской
подвижности цн, и приведенной концентрации носителей заряда указанных соединений. Для системы Еио74Сао2бЕ>б впервые обнаружена смена режимов зарядового транспорта с переходом от дырочной проводимости (RH>0, H
Практическая значимость работы
Полученные в диссертационной работе результаты способствуют дальнейшему развитию представлений о природе эффектов сильных электронных корреляций, определяющих аномалии физических свойств, и особенности формирования основного магнитоупорядоченного состояния соединений РгВ6, NdB6, GdB6 и EuB6. Изучение эффекта КМС в модельных системах Eui_xCaxB6 (х=0, 0.08, 0.17, 0.26) позволяет рассчитывать на последующее применение полученных знаний к описанию сложных систем, например, легированных манганитов лантана и других РЗ элементов. Результаты исследования твердых растворов замещения Eui_xCaxB6 могут быть использованы при разработке и создании новых магниторезистивных датчиков и средств магнитной записи, принцип работы которых основан на эффекте КМС.
Апробация работы и публикации
Основные результаты работы докладывались на 50, 51, 52, 53 научных конференциях МФТИ (Долгопрудный, 2007, 2008, 2009, 2010), Moscow International Symposium on Magnetism (MISM, 2008), 25-th International Conference on Low Temperature Physics (LT25, Amsterdam, 2008), The International Conferences on Magnetism (ICM, Karlsruhe, 2009) and Quantum Criticality & Novel Phases (Dresden, 2009), 14-th Czech and Slovak Conference on Magnetism-10 (CSMAG'10), 35-ом совещании по физике низких температур (Черноголовка, 2009), на школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-10, 11, Екатеринбург), на конференциях "Сильно коррелированные электронные системы и квантовые критические явления" (Троицк, 2007, 2008, 2009, 2010), на конференции "Ломоносов" (МГУ, 2009, 2010), на конференции "Физика и прогресс" (Санкт-Петербург, 2008), а также на семинарах ИОФ РАН.
По результатам диссертации опубликовано 52 печатные работы, включая 14 статей в рецензируемых журналах и 38 тезисов докладов на российских и международных конференциях. Полный список печатных работ приводится в конце автореферата.
Личный вклад автора включает: 1. Модернизацию частей и блоков экспериментальной установки,
усовершенствование методики измерений низкотемпературной теплоемкости. Проведение калибровочных измерений низкотемпературной теплоемкости.
Измерение температурных зависимостей низкотемпературной теплоемкости соединений РгВ6 и NdB6.
Анализ зависимостей СР(Т, Я0<90кЭ) в АФМ фазе РгВ6 для направлений магнитного поля Н||<100> Н||<110> и Н||<111>.
Измерение температурных и полевых зависимостей магнитосопротивления РЗ гексаборидов PrB6, NdB6, GdB6 и твердых растворов замещения Eui_xCaxB6 (х=0, 0.08, 0.17, 0.26).
Прецизионное исследование магнитосопротивления в АФМ фазе РгВ6 для трех ориентации магнитного поля Н||<100>, Н||<110> и Н||<111>.
6. Разделение вкладов в магнитосопротивление антиферромагнитных
гексаборидов PrB6, NdB6, GdB6 и твердых растворов замещения Eui_xCaxB6 (х=0,
0.08,0.17,0.26).
Измерение и анализ угловых зависимостей магнитосопротивления р(ср)/р(0) гексаборидов PrB6, NdB6 и GdB6.
Измерение и анализ температурных и полевых зависимостей коэффициента Холла РЗ гексаборидов PrB6, NdB6, GdB6 и твердых растворов замещения Eu!_xCaxB6 (х=0, 0.26).
Разработку процедуры корректного анализа кривых рн(<р) в сильном магнитном поле для систем РгВ6 и NdB6.
Написание статей и публикация полученных данных.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, и списка литературы из 188 наименований. Работа изложена на 193 страницах, включая 57 иллюстраций и 4 таблицы.
