Статика и линейная динамика магнитной системы сильноанизотропных ферримагнитных диэлектриков Лагутин, Александр Сергеевич

Введение к работе

Актуальность темы. Редкоземельные ферриты-гранаты (РЗФГ) поєлставляют собой один из наиболее популяоных классов мзгнитоупо-

риментах, так и теоретически на протяжении

десятилетий. ГТоЯО^НЫЙ интерес с ОЗнОії CTODOHfcJ обусловлен пользованием в поомышленности в качестве материалов в лазерной вычислительной и биотехнике магаитоакустике и микроэлектронике благода». нomv разнообгпчию магнитных магнитолу оезо-нансных оптических и метрических свойств П 2] СLnrtL.' поны теопетическое огтисание ИФГ тг,е6л,,т полча'с существенного L_PHeftH*пплхппп»из _адLLln*nmxмалых hLuLm, pLn^JLL. (ТО иоиы в кпГГллях JncrL* со йойсложныемяоJItL12LT пяги^Тй^Г^пы.изп^ 1 _ппин_тшпов Гка«L « ра^якы „ _CL,LZn„ Г^^кпм

свой L* ZмZ3ZwLL3 мя^^ио^т7 Z. ^Zr _П^ 1 яи Т яТ^ГпТГ Т^п*

L пяП ZT и^Диі»вант*х магнитным полем фазовых нитной подсистемы кристалла, что имеет непосредственное отношение

К настоящему времени имеется огромное число исследований фи-зических свойств материалов при различных температурах инесрав-ненно меньше - при высоких магнитных полях, несмотря на то, что эффективность воздействия последнего на вещество едва ли менее значима. Наибольшеемашитноеп^полученноевлабораторшяхусловиях,

-.I і/--:

ничтожно по сравнению с имеющимися в природе. Однако использование даже этого достигнутого уровня уже дало вполне ощутимые результаты: превращение металлов и полупроводников в диэлектрики, замена "горячей" сварки "холодной" в импульсном поле, создание высокоэнер-гетичных постоянных магаитов прессованием порошков в магнитном полеит.п. Все это указывает на то, что многие традиционные материалы могут быть заменены новыми, полученными в присутствии сильного магнитного поля, а также на то, что очень интересные и перспективные научные результаты могут быть получены лишь в магнитных полях большой величины.

. Такимобразом,ссамой общей точки зрения:, этносительная малочисленность работ в явно перспективной области знания, настоящая работа актуальна.

Кначалуданной работы подавляющее число экспериментальных результатов по изучению индуцированных магнитным полем фазовым превращений в ферримагнитных диэлектриках охватывало диапазон полейдо20Тл.Однакодляцелого ряда из них невозможно восстановить фазовые диаграммы на плоскости "поле-концентрация" даже в этом дипазоне полей. Практически не было изучено поведение магнитной структуры смешанных РЗФГ, т.е. ферритов-гранатов с частичным замещением редкой земли на иттрий, в более сильных полях.

Линейная динамика многоподрешеточной магнитной системы РЗФГ в полях, превышающих несколько Тесла, была практически не изучена ниэкспериментально,нитеоретически.Болееилименееможно считать исследованной только одну из восьми ветвей колебаний этой системы: ферромагнитный резонанс. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, значительной шириной и малой интенсивностью линий поглощения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн электромагнитного излучения, куда должны попадать резонансные частоты в полях, превышающих 10 Тл [3 ]. Во-вторых, это сложность проведения исследований магнитного резонанса в импульсных

ПОЛях, превосходящих 25 Тл в силу наличия значительных механических и электромагнитных помех на измерительный тракт.

Цель работы настоящей работы заключается в исследовании вли-. яния сильного магнитного поля на электронные состояния РЗ ионов в ферримапштных диэлектриках с большой анизотропией и разработке на этой основе гипотез о процессах, индуцируемых в них под воздействием магнитного поля.

Для решения поставленной проблемы были проведены экспериментальные исследования статических магнитных {намагниченность, дифференциальная магнитная восприимчивость) и динамических (магнитный резонанс) свойств монокристаллов смешанных ферритов-гранатов Tb^Y₃.xFe₅0₁₂ и Ho_xY₃._xFe5Oi2 пр" низких температурах и наложении квазистационарного магнитного поля амплитудой до 50 Тл. В приближении анизотропного молекулярного поля построена микроскопическая модель для описания свойств статических характеристик РЗФГ, которая учитывает изменения в спектре РЗ иона, индуцированные магнитным полем, сравнимым по величине или даже превосходящим эффективное.поле обменного взаимодействия между редкоземельной и железной магнитными подсистемами кристаллов.

В ходе работы решались следующие задачи:

-разработка методики оптимизации конструкции и технологии изготовления импульсных соленоидов, предназначенных для многократной генерации квазистатических магнитных полей 55-60 Тл;

измерение намагниченности и дифференциальной магнитной восприимчивости тербий-итттриевых ферритов-гранатов в импульсных магнитных полях до 50 Тл при гелиевой температуре;

получение достоверных экспериментальных данных о характере поглощении СВЧ излучения в тербий-иттриевых и гольмий-иттриевых ферритов-гранатов в полях, сравнимых по величине с эффективными полями обменного взаимодействия между редкоземельными и железными йрйашгвта»дах кристаллах;

исследования эволюции линий поглощения в СВЧ-диапазоне с ростом частоты зондирующего излучения в условиях наложения сильного внешнего магнитного поля;

получение и анализ как статических, так и динамических магнитных фазовых диаграмм РЗФГ на плоскостях "поле-температура" и "поле- концентрация" для различных ориентации внешнего магнитного поля относительно кристаллографических направлений;

-разработкатеоретическоймоделидля расчета статическихмагнит-ных характеристик РЗФГ при произвольном соотношении между величи-нами внутренних эффективных полей и внешнего магнитного поля;

- изучение трансформации магнитной структуры РЗФГвдолях
>100Тл.

Нзучная норизнд работы заключается в том, что в ней впервые: .

1. Изучено поведение намагниченности и дифференциальной
магнитной восприимчивости в кристаллах системы ТЬ_хУ₃-х^^с5^12
(х<0.5) при разных ориентациях внешнего магнитного поля, амплитуда
которого достигала 50 Тл. На основании данных магнитных измерений
установлено существование в Tb_xY3.xFe5i2 нового явления: индуци
рованного полем перехода из слабо- в сильноанизотропное состояние.

2. Восстановлены магнитныефазовыедиаграммы Tb_xY3.xFe50i2 на
плоскостях "поле - концентрация" и определена величина эффективного
поля обменного взаимодействия редкоземельной и железной подсистем
этихкристаллов (&<$„)

3 Предложена модель резонансных явлений в РЗФГпри индуцированном магнитным полем пересечении уровней РЗ иона.

4, Получено прямое доказательство наличия инверсии основного состояния ионаТЬ^вТЬ^з^е^jпри В-6-15ТлиТ-4.2К.

^Впервыеобнаруженоиподробноизученорезонансноепоглоще-ниеСВЧ излучения в ферримагнитных диэлектриках в полях, сравня-

мых и превышающих поля Н^. Выяснена природа мягких мод магнитного резонанса, наблюдавшихся в таких условиях.

1. Получены экспериментальные доказательства существования в HOxY3.3Fe50i2 нового для магнитоупорядоченных соединений явления: магнитного аналога динамического эффекта Яна-Теллера.

2. Впервые изучены динамические магнитные фазовые диаграммы многоподрешеточного сильноанизотропного магнетика Ho_xY₃__xFe50i2 (х<0.5) на плоскости "поле - температура" и выяснена их связь со статическими фазовыми диаграммами этих кристаллов.

8. Исследованы ориентационные зависимости полей магнитного
резонанса в Ho_xY₃._xFe₅Oi₂ " показана недостаточность изинговского
приближения для описания свойств иона гольмия в данных РЗФГ.

9. Сформирована система уравнений приближения анизотропного
молекулярного поля для случая многоподрешеточного магнитодиэлект-
рика с произвольным соотношением между величинами эффективных
полей анизотропии и обмена.

10. Проведены расчеты полевых зависимостей спектров ионов ТЬ³⁺ и намагниченностей всех подрешеток для монокристаллов Tb_xY₃__xFе5012 в сильных магнитных полях при разных его ориентациях относительно кристаллографических осей.

11. Исследован эффект Фарадея в Ho₀.₇Y₂.₃Fe₅Ol2^mvwx_flo350 Тл и получено доказательство расслоения при Н > 50 Тл исходной конусной РЗ магнитной структуры на два конуса, практически недефор-мнрующиеся в более сильных полях.

Научная п практическая ценность. Полученные в диссертации экспериментальные и теоретические результаты существенно расширяют физические представления об индуцированных магнитным полем фазовых превращениях в ферримагнитных диэлектриках и величинах эффективных полей анизотропных и обменных взаимодействий. Такая информация важна как для построения адекватных эксперименту тео-

ретических моделей, так и для оценки перспектив технического применения таких материалов.

Создана экспериментальная установка для проведения исследо-вашій как статических, так и динамических магаитных характеристик твердых тел в квазистатических магнитных полях амплитудой до 55 Тл.

В работе проведено систематическое исследование магнитного резонанса в многоподрешеточных магнитодиэлектриках в полях, достигающих и превосходящих эффективное поле межподрешеточного обменного взаимодействия.

Обнаруженный в РЗФГ магнитный аналог динамического эффекта Яна-Теллера является общим для всех многоподрешеточных магнетиков, содержащих магнитоактивные ионы, основное состояние которых становится вырожденным под воздействием магнитного поля. Сравнительно невысокие (3-5 Тл)пояя, при которых в РЗФГ уже наблюдаются мягкие моды магнитного резонанса, обусловленные этим эффех-том, указывают на хорошие перспективы его технических применений.

Апробация работы, Результаты исследований, изложенные в диссер-тащш.докладьшались и обсуждались на 15-ти международных и всесоюзных конференциях:

- 1-ой международной по магнетизму в сильных полях, Осакй- 1982
(Япония);

- 15-ой всесоюзной по физике магнитных явлений, Тула-1.983;
.,.- 2-ой международной по физике магаитных материалов, Ядви-

шин-1984 (ПНР);

4-ой международной по генерации мегагауссных полей и родственным явлениям, Санта-Фе (США), 1986;

18-ойвсесоюзнойпофизикемагнитных явлений, Калинин-1988;

2-ой международной по магнетизму в сильных полях, Лувен- 1988 (Бельгия);

20-ой международной по магнетизму, Париж-1988 (Франция);

5-ой международной по генерации мегагауссных полей к родственным явлениям, Новосибирск-1989;

25-ой международной по магнитным фазовым переходам, Осака-1990 (Япония);

- 19-ой всесоюзной по физике магнитных явлений, Ташкснт-
1991;

всесоюзном совещании по магнетизму, Алутта-1991;

S-ей международной по магнетизму в сильных полях, Амстердаме 991 (Голландия);

6-ой международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным явлениям, Альбукерке-1992 (США);

международном совещании по физике в сильных магнитных полях и родственным технологиям, Тулуза-1993, (Франция);

4-ой международной по магаегизму в сильных полях, Токио-1993 (Япония).

Публтатт. По теме диссертации опубликовано 35 печатных работ. Список основныхпубликаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения; трех частей, содержащих соответственно три, три и две главы; заключения, приложения и списка цитированной литературы. Она содержит 285 страниц, 104 рисунка, И таблиц. Список цитированной литературы состоит из 219 наименований.