Введение к работе
Актуальность проблемы, в физика твердого тола традиционно
большое внимание уделяется исследованию неупорядоченных сютом, в .
том числа кристаллов с приносными цонтрани различных типов. ОсоОое
место в этой ряду занимает специфический класс воігоств.имеювдій в
своем составе ионы, основной состояние которых вырождено но
орОитальнону квантовому числу, т.о. ян-теллеровскна <н"П иолы.
Вследствие такого вырождения симметричная конфигурация атомов
оказывается неустойчивой. а эффекты сшш-орвнталыюго
взаимодействия проявляются в более низких порядках теории возмущении, в результате соединения с ЛТ ионами характернзухшгя особенностями целого ряда свойств: упругих, структурных, согиото-элоктричоских, нагнитных и сверхпроводящих, сильное влияние на поведение указанных неупорядоченных систем оказывает присутствие в них посторонних принесен и дефектов. Развитие соответствующей теории представляет несоинениыг интерес как вследствие недостаточной изученности этого вопроса так и важности для практических применения рассматриваемого класса объектов, обладающих многими уникальными свойствами.
Особенности поведения неупорядоченных систем с нт ионами
определяются во многом электрои-фононным взаниодействием. Это
взаимодействие приводит к Эффективном межцонтровон связи, что
является » концентрированных ЯГ системах причиной кооперативного
структурного фазового перехода. В последнее время Выл достигнут
значительный прогресс в понимании широкого ряда свойств
кристаллических соединении с кооперативным Эффектом яг. В то жо время оставались неизученными свойства систем с малыми концентрациями ят центров, для которых такое взаимодействие приводит к снятию орбитального вырождения на ЯТ нонах, но кооперативный фазовый переход в кристалле не возникает. В таких разбавленных системах можно было ожидать возникновения состоянии типа спинового стекла. Поэтому теоретический анализ поведения рассматриваемых систен должен учитывать возможность проявлення в их свойствах закономерностей, характерных для стекольной вазы.
существенной особенностью неупорядоченных нн-теллеровских систем является сильная зависимость іос свойств от наличия в .чих случайных низкосиммотричных кристаллических полег», эти ноля. свя-
зииние с нарушениями трансляционной ми вариантности в реальных
кристаллах, сминают частично или полностью вырождение на иг цент-
рак, характерный диапезаа иэкенения диспарсин случайных полей
весьма налах м ко дот составлять от дэсятых долай см" до сотен
си . соответственно ивниэтсв и роль т*_лих полей: от неоднородного
уширения форкьг резонансного спектра в разбавленных системам с
парамагнитными ят кокакы я» подавления структурного ят перехода в
концентрированны*: ЯПГ системах, несмотря иа понимание важности
учете случайный полей в отдельных задачах, систематический подход
к рассмотрения их влияния иа свойства неупорядоченных лт систем
отсутствовал. Зто относится к анализу вида их функций
распределения, оїденк&и величины дисперсии и вытекавшим отсюда закоксвдерісостям для плотности состояний и термодинамических свойств примэской подсистемы, а тгакка для различных сечений рассеяния иэлучакий р&ссм&триааэкыси кристаллами, интерес к такого типе задачам выходит за рамки чисто ят систем. что определяется общик характером поведения о 'случайных полях различного ірода так называемых переориентирующихся центров в кристаллах (коцан-тральныв попы, примэсныа центры в гантельных конфигурациях, пара типа примесь-примесь и лринесь-вакаисия. раэ-иовалентикв ионы одного элемента и принеси внедрения в позициях с поникекноа симметрией». При этом ЯТ ионы являются наиболее простым принером переоризатируювдЬсся центров, допускающим последовательное описание н& основе микроскопического гамильтониана.
с точки зрания практических применений интерес к указанным
объектам в значительной степени .связан также с возможностью
управлять такими служебными нарактериетикани магнитных
диэлектриков как магнитная анизотропия и иагнитострикция с помощью легированна ят ионами, при этой чрезвычайно важно было понять, почему одни « то не добавки в разных системах приводили к сильно различающимся по величине, а иногда и яо знаку вкладам в указанные ссомства. Примыкает к этому кругу вопросов и проблема поведения магнетиков с обусловленной примесными центрами конкурирующей анизотропией, ввиду аномального вклада ят ионов в энергию магнитной анизотропии в рассматриваемых системах уже при малых концентрациях таких mohod'mowho ожидать проявления целого ряда эффектов, связанных с возможностью существования промежуточных магнитных Фаз. попільних магнитных состояний и т.д. Оставались открытыми и вопросы u'opi:;t. гвнэангыр со спектром спиновых возбуждении в указаниях r"'Kii. n и осоШ'тшостямн их прея иле иип в резонансных явлениях*
Цель работы, цель равоты состояла в разработка енстоматл «іеского тооротнчесхогп подхода к исследованию Зольеого класса явленім в неупорядоченных кристаллах с яг центрами а мироком интервале концентрация, температур н дисперсий случайных чмэко-симнвтричцык полай, при этом наряда с основными фсхсар&и::, определяющими поведение нт систем. - сильным внброкныи ззеїікадиіі-стшюм, распределением случайных кристаллических нолей -уапи-иаются специфические особенности конкретных систем, такт как симметрия кристалла, кратность вырождения, характер сшві-орбн-тального взаимодействия.
В основные задачи диссертпшгоннон работы входило:
і. ігсследовать поведение ансамбля вырожденных по орбитальному
кпантовоку числу центров а кристалле при цчатэ їж взаимодействия
иожду собой и с полем случайных деформация. рассмотреть
спвішфігческие особенности Функция распределения ниэяосиммот-
ричиык полей различной природы и размерности, праапапилирогшть влияние этик особошюстегв на тэриодмнаииносхие свойстве и спектральные характеристики указанных систем.
-
Для магнитных неупорядоченных систем с ЯГГ моиакм построить последовательную твори» магшггокристалличеекоп анизотропии и кагин-тострихции, учитывающий реальную кристаллическую структуру, т.е. распредолвниэ ииэкосиммвтричных кристаллических полов.
-
изучить ряд вопросов, относящихся х теории спектров обьакныж II локализованных гюзбукдонип s разбавленных ПТ твордык растаорах '.в том числе спектры магнитного рэзокаиса в магяопках с ЯТ ионамш.
пацчная новизна. Научная новизна работы заключается в развитии последовательно» теория свойств неупорядоченных кристаллических систем с ят «юлами, при этом эпервыо:
-
Исследованы териодіюаиичаскяа свойства а:есаи8ля взаимодействующих посредствен обмека фононами, орбитапыю зыроядшшых примесных центров, что позволило предсказать возможность реализации нового состояния - НТ стекла.
-
папданк Функции распроделвння случайных пизкосиннатрнчннх полон деформационном.кулоиовскоя и обменной природы, определяоимда поведение двух- и трехкратно вырожденных ПТ ионов в реальных неупорядоченных системах. Проанализировано влияние многокомпонентного характера указанных функция на плотность состоянии прннёсных центров.
-
Показано с использованием'полученных Функций-распределения, чіп
различного рода переориентирующиеся туннельные цонтры і включая НТ центры) в случайных: полях деформацій! кристалла ведут себя при в:мз-кпх температурах аналогично обычный стеклам с двухуровневыми центрами. Изучено поведение теплоемкости и упругих характеристик указанных систем.
4.» широком интервале температур,концентрации и дисперсии слученных полон исследован ряд спектральных характеристик кристаллических снетон с пт центрами: затухание звука, неоднородное увшрение спектров ЭПР, ІШР, оптических спектров и др.
5. Разработана теория влияния случайных полеп па нагнитокристалли-ческу» кубическую анизотропию и нагпитострнхцню магнетиков с ігт нонами, объяснен ряд аномалий о температурной и концентрационной зависимостях указанных свойств.
о. предсказано возникновение промежуточных магнитных состоянии (угловых іраз> о нагнотлких при малых концентрациях ЯГ шиї пероори-онтнруюіцнхся цонтров. приводящих к появлению конкурирующей магнитной анизотропии з системо. Исследованы фазовио' диаграммы таких кяпштнксп и их зависимость от величины дисперсии случайных нолей. 7. проанализирован спектр спиновых возбуждения в магнетиках с коикурнруиїдой анизотропией, обусловлешюп ПТ ионами. показана зпвисяместь таких характеристик спектра, как наличие боскдалевоИ мода, ssiipiuia линейного участка в законе дисперснії и др. от характера фазовой диаграммы. Найдены температурные и угловые за-ліпшосгн частоти <ГМР и ое затухания для указанных систем о «а-сы!цп».1Ц|чс магнитных полвх.
і>. исследованы нооые тііпм спектров локализованных состоянии для вырожденных цонтров б магнетиках, показано,что-такие спектры могут характеризоваться наличной дополнительных расщепивкип по сравнению с чисто спиновыми возбуждениями дипольного нлп кпадрупольного типа и нестабильностью основного состояния в магштгном поле. проанализированы особенности поглощения алектронаїннтвого излучении в указанных снетенах.
Научно-практическое зііаче/iiia работы. Развитая в диссорта-шішшон раОото кнхрослогшческая теория позволяет выяснить достаточно широкий рил вопросов, относящихся к термодинамическим и спек,; г.льннм своііством неупорядоченных систем с fir нонами. По-лучеі:іі'.'і; представления о поведении ансамбля вырожденных (пере-ріі:чі.-»;'і;к;гиіхся> центров d случайных низкосииметричиых кристаллических полах дают возможность понять разнообразие магнитных.
упругим, резонансных н др. свойств конкретных'соедиг.онип, различающихся кристаллической структурой, характере» ят вырождения, дисперсией случайных полой, предсказаны некоторые новые,ранее неизученные эмокты. результаты диссертации могут слупить основой для объяснения її количественной интерпретации различных экспериментальных данных, полученных с помощью калориметрических, нейтронографических, оптических, радиочастотных, ультразвуковых и других методов, позволяют предсказывать тенденции в изменении магнитных характеристик при легировании нагнитоупорядоченних кристаллов ионами с орбитальным вырождением.
значительная часть результатов, полученных в диссертыши, к настоящему времени экспериментально подтверждена, это относится к различным резонансным (ЭПР.ФИР.ЯМР). оптическим свойствам, а также магнитоупругим свойствам большого ряда ферритных систем, частично подтверждены выводы о поведении туннельных переориентирующихся центров в случайных полях
Результаты диссертации использовались для оОьясиопня экспериментальных данных и стимулировали постановку новых экспвримонтоо в кмф ли УССР. )1»ш Уро ah есер, амэихо-техничоском институте АН УССР «Донецк), чтиит лн усср (Харьков), МГУ и других организациях, некоторые выводы теории егое требуют экспериментальной проверки.
основные защищаемые положения.
-
В разбавленных кристаллических системах с ят поиамн особенности самых разнообразных физических характеристик определяются многокомпонентными «укциями распределения случайных полей, с помощью полученных распределений удается проанализировать как термодинани-мнческие. так її спектральные ОПР. поглощение звука,<м-<Р,яьР и т.д. > свойства указанных систем в широком интервале температур. концентраций примесных центров и дисперсий случайных полей.
-
существенное влияние на поведение немагнитных' кристаллов с ор-Ситально вырожденными центрами оказывает взаимодействие между при-месянн,обусловленное обменом виртуальными фононами, за счет такого взаимодействия оказывается возможным.в частности, возникновение новой ниэкосимметричной фазы - ЯТ стояла.
-
для примесных ЯТ ионов различного типа а кубических магнетиках характерны Вольшля величина констант и нетрадиционное поведение индицированных ими магнитной анизотропии и магнитоогрикции. Случайные поля в кристалле с одной стороны уменьшают величину ука-
злішого 34>Ф0кта. а с другой - восстанавливают традиционные цгпоичо зависимости свободной энергии нагніпноя анизотропии и нагнитоупру-ro
4. и кубических магнетиках с пт и пореориентирулмцниися центрами, прииодяэдши к появлению конкурирующем примесной анизотропии, существенно ионнются нагнитные фазовые дилгрпнмы, спектры спиновых возбуждении, температурные и угловые зависимости частоты Ч4«Р и ее уширепия, о такие ряд других свонсто ьещаства. в частности, оказк-цаотеи ьозиокиоя реализация промежуточных состоянии - угловых Фаз с: голдстоунооскии типом спегтроо и сильной анизотропной скорости звуке магнонов.
t>. Для споктров локализованных магнитных состояний в магнетиках с ьрбитапыю оыраждвниыми ионами характерно с одной стороны возникновение спектров нового типа, ft с другой - дополнительное paciisni-лоїіно споктров локализованных возбуждения, имевших посто для орби-талыю невырожденных магнитных примесей.
лпро бация раСоты. Результаты диссэртпцни докладывались ча слодуюв/ік всесоюзных и международных конференциях, сеиинарах и
MKCJmX:
всесоюзные конференцій) по магнетизму ? Тула, iQ63-. Калинин, jtouo >, всбсопэное совещании по физике низких температур ( Ленинград, 1060 >, Международные симпозиумы по эффекту Пііа-толлєра ( лкбднцо, ЧССР. 1933; Кнзинев, 1939 ). международная магнитная конференция (Нанкувир.Канада, 1Эйи>. всесоюзные совещания по спектроскопии крпсталло». активированных ионами редкоземельных и переходных элементе» (Свердловск, 1073; Казань. 197С; Краснодар, io~u>, исосоюаиые совещания "одэичвехиэ и математические методы в координационное хиш.чі" ( Кишинев, lt»77 и юво ), ососоюзныо совещания по термодинаміко и технологии ферритов іИвано~<іуанковс!:. loai, 190Q н l'Jotii, всесоюзные конференции no квантової! хинин її спектроскопии гаардого тола ісоердловск, іаие н 19йЭ>, всесоюзная конференция по тернодкнаинхо и материаловедению полупроводников < косква, 1900 ), Vcpcoaanau конференции "Тройные полупроводники и их применение" «>чішінов.і967>, ьейсоюзнвя конференция по акустоэлектроннке и (умзігчоскон акустике твердого ТЬЛО (КЧШИНОВ, 1969) . всесоюзный сонн-нлр по аморфному магнетизму і Красноярск. Ю7в >, зимняя икола по теорртіічоской иьике "Коурозго-22" ( свердло зек. IBtia), Семинар "се-і -нотемьгнетикн и магнитные полупроводники-' (Москва, 190>>, а также рдїїочио семинары s нем Уро АН ссср «свердиоасю. инф АН усср
(Кіто), институте .чинші AH wccp (Кншиііо»> її др.
публикации, осііоіяімо результаты дчссорташш опубликованы в 32 иацчянх раВотах, список которых приведен в конце автореферата. .
структура диссертации, диссертация состоит из вім>д.->ііш>.самії глав, заключения и списка цитированной литературы, .а<ссерта;:ия содержит 331 страницу основного текста. 71 рисунок, 6 тавлш;. Список цитированной, литературы включает 203 наименования.