авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Исследование магнитного резонанса в оксидных соединениях меди с помощью автоматизированного спектрометра с импульсным магнитным полем

На правах рукописи

Тугаринов Василий Иванович ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА В ОКСИДНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ МЕДИ С ПОМОЩЬЮ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СПЕКТРОМЕТРА С ИМПУЛЬСНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ 01.04.01 приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание учной степени е кандидата физико-математических наук

Красноярск 2007

Работа выполнена в Институте физики им. Л. В. Киренского CO РАН.

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор Петраковский Г. А.

кандидат физико-математических наук Панкрац А. И.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Патрин Г. С.

кандидат физико-математических наук, доцент Журавлев В. А.

Ведущая организация: Институт общей физики им. А. M. Прохоро ва РАН

Защита состоится “14” декабря 2007 г. в 14 ч. 30 мин. в конференц-зале главно го корпуса ИФ СО РАН на заседании диссертационного совета Д 003.055.01 при Институте физики им. Л. В. Киренского CO РАН по адресу: 660036, г. Крас ноярск, Академгородок, 50, стр. 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФ СО РАН.

Автореферат разослан “10” ноября 2007 г.

Учный секретарь диссертационного совета е доктор физико-математических наук Втюрин А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Метод магнитного резонанса является од ним из самых мощных косвенных методов исследования магнитного состояния вещества. Этот метод обладает большой чувствительностью к макроскопиче ской магнитной структуре кристалла, что позволяет успешно применять его для изучения фазовых переходов. В использованном в данной работе спектро метре большой диапазон магнитных полей реализуется с помощью импульсно го метода. Этот метод обладает массой достоинств, но относительно короткая длительность импульса создает сложности при регистрации спектра магнит ного резонанса. Нередко при использовании различных технических решений возникает задача: как при ограниченном быстродействии АЦП и небольшом объеме буферной памяти получить развртку сигнала поглощения с макси е мальной точностью. Поэтому разработка систем автоматизации измерений в импульсном магнитном поле является весьма актуальной задачей эксперимен тальной физики.

Автоматизированный спектрометр с импульсным магнитным полем ис пользован для изучения магнитного резонанса в оксидных соединениях меди.

Их широкое изучение первоначально было стимулировано открытием ВТСП.

Окисные соединения меди характеризуются широким разнообразием магнит ных структур, которые к тому же обладают различной магнитной мерностью.

Интересу к соединениям меди способствует также ще одно свойство иона Cu2+, е который обладает спином S = 1/2, что позволяет изучать квантовые явления, характерные для такой величины спина, при низких температурах.

Все эти обстоятельства определили выбор объектов исследования в на стоящей диссертации: тетрагональный кристалл метабората меди CuB2 O4 и триклинный кристалл Cu5 Bi2 B4 O14. Исследования CuB2 O4 в магнитном поле в базисной плоскости показали существование в области магнитного порядка нескольких фазовых границ I и II рода. В то же время магнитная фазовая диаграмма кристалла в поле вдоль тетрагональной оси была неизвестна, и е е изучение вызывает большой интерес. Что касается Cu5 Bi2 B4 O14, то этот кри сталл является новым соединением, впервые синтезированным в лаборатории резонансных свойств магнитоупорядоченных веществ (РСМУВ) Института физики СО РАН, поэтому исследование его магнитной структуры также яв ляется актуальной задачей.

Цели и задачи исследования. Целью работы является развитие экспери ментальной методики магнитного резонанса и исследование с помощью этого метода магнитной структуры и фазовых переходов в двух кристаллах оксид ных соединений меди, CuB2 O4 и Cu5 Bi2 B4 O14.

В соответствии с целью исследования были поставлены следующие кон кретные задачи:

1. Выполнить автоматизацию измерений на спектрометре магнитного резо нанса с импульсным магнитным полем;

2. Провести измерения магнитного резонанса в новом кристалле Cu5 Bi2 B4 O14 с целью определения магнитной структуры;

3. Провести измерения магнитного резонанса в кристалле CuB2 O4 и изучить его магнитную фазовую диаграмму в поле, параллельном тетрагональной оси.

Монокристаллы CuB2 O4 и Cu5 Bi2 B4 O14, выращены под руководством Саблиной К.А. в лаборатории РСМУВ ИФ СО РАН методом спонтанной кристаллизации в раствор-расплаве.

Научная новизна:

1. Автоматизирован спектрометр магнитного резонанса с импульсным маг нитным полем. В процессе автоматизации создана новая методика фор мирования развртки магнитного поля для регистрации спектров магнит е ного резонанса, основанная на аппроксимации импульса тока математи ческой моделью колебательной разрядной цепи.

2. Проведены исследования магнитного резонанса в кристалле CuB2 O4 и впервые показано, что этот резонанс обусловлен слабоупорядоченной под системой метабората меди. Впервые с помощью магнитного резонанса ис следован магнитный фазовый переход в слабоферромагнитное состояние, происходящий в поле, параллельном тетрагональной оси. Дано качествен ное объяснение механизма этого перехода.

3. Впервые выполнены исследования магнитного резонанса нового оксокуп рата Cu5 Bi2 B4 O14 триклинной симметрии. На основании резонансных и статических магнитных свойств установлено, что этот кристалл является ферримагнетиком. Определены направления основных магнитных осей.



Показано, что бльшая часть экспериментальных данных хорошо описы о вается в рамках ромбического гамильтониана.

Научная и практическая ценность:

1. Проведена автоматизация спектрометра магнитного резонанса с импульс ным магнитным полем. Разработана методика определения мгновенного значения магнитного поля в любой точке импульса и построения поле вых разврток сигнала поглощения. Методика, не требующая примене е ния быстродействующего АЦП и основанная на использовании матема тической модели импульса тока через соленоид, может быть применена в любой научной или промышленной установке, использующей импульс ные магнитные поля. Кроме того, практическую ценность представляет программа управления автоматизированным спектрометром;

2. Научную ценность представляют нетривиальные экспериментальные ре зультаты, полученные с помощью спектрометра магнитного резонанса с импульсным полем. В частности, необычный результат существование в метаборате меди CuB2 O4 фазового перехода из спирального в соизме римое состояние в магнитном поле, приложенном перпендикулярно плос кости спирали. Необычным также является ромбическая симметрия уг ловых зависимостей резонансных полей и намагниченности в кристалле Cu5 Bi2 B4 O14 триклинной симметрии. Эти результаты являются ориги нальными и стимулируют развитие новых теоретических представлений.

Положения, выносимые на защиту:

1. Автоматизация спектрометра магнитного резонанса с импульсным маг нитным полем;

2. Методика измерения мгновенных значений импульсного магнитного поля с использованием математической модели импульса тока через соленоид;

3. Программа управления спектрометром. Программа просмотра, отбора и анализа спектров;

4. Для монокристалла метабората меди показано, что наблюдаемый маг нитный резонанс в магнитном поле, параллельном тетрагональной оси, обусловлен колебаниями в слабоупорядоченной подсистеме ионов меди.

По экспериментальным данным построена фазовая диаграмма в магнит ном поле H c;

5. Для триклинного ферримагнетика Cu5 Bi2 B4 O14 показано, что значитель ная часть экспериментальных данных может быть описана, исходя из ромбической магнитной симметрии кристалла. Из анализа спектров маг нитного резонанса определены направления магнитных осей кристал ла и эффективные поля магнитной кристаллографической анизотропии.

Характер угловых зависимостей резонансного поля для исследованных плоскостей вращения объяснены особенностями расположения атомов ме ди в этих плоскостях.

Апробация работы. Результаты работы обсуждались на семинарах ла боратории резонансных свойств магнитоупорядоченных веществ Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН и докладывались на следующих кон ференциях: международная конференция "Moscow International Symposium of Magnetism"(Москва, 2002 и 2005 гг.), Всеросийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ-9 (Красноярск, 2003 г.), меж дународная конференция EASTMAG (Красноярск, 2004 г., Казань, 2007 г.), 34-ое совещание по физике низких температур (Сочи, 2006 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликова но в 12 работах в том числе 6 статей в рецензируемых журналах, 4 работы в трудах международных конференций.

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в авто матизации спектрометра магнитного резонанса, исследованиях магнитного ре зонанса в кристаллах Cu5 Bi2 B4 O14 и CuB2 O4, проведении анализа и интерпре тации полученных результатов, включая данные полученные другими экспери ментальными методами. Автором самостоятельно создана программа управле ния спектрометром, а также программа просмотра и предварительной обра ботки спектров.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации 135 страниц, включая 35 рисунков и список литературы из 181 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформули рованы цель и задачи диссертационной работы, перечислены полученные в диссертации новые результаты, их практическая ценность, представлены по ложения, выносимые на защиту и описана структура диссертации.





В первой главе приведен краткий обзор работ по магнитному резонан су. Приведены основные сведения из теории магнитного резонанса в ферро- и антиферромагнетиках, используемые при обсуждении оригинальной части. В обзоре рассмотрены основные черты магнитного резонанса в различных типах магнитоупорядоченных структур: классических антиферромагнетиках, одно мерных магнетиках, магнетиках с несколькими подсистемами различной при роды, фрустрированных системах и магнетиках с модулированными структу рами. В конце главы сформулированы задачи диссертации.

Вторая глава посвящена автоматизации спектрометра магнитного резо нанса с импульсным магнитным полем. В начале главы приведены технические характеристики и описана схема спектрометра. Спектрометр дает возможность проводить измерения в диапазоне частот от 25 до 140 ГГц в полях до 100 кЭ и наблюдать магнитный резонанс в различных типах магнетиков, в том числе имеющих большое начальное расщепление в спектре.

На рис. 1 приведена блок-схема установки. Спектрометр построен по схе ме отражательного спектрометра прямого усиления. Весь частотный диапазон спектрометра перекрывается генераторами Ганна, стандартными генераторами СВЧ и набором ламп обратной волны. Требование необходимой широкополос ности спектрометрической части удовлетворяются использованием закорочен ного волновода работающего в многомодовом режиме.

Ставились следующие задачи 1 2 3 Г автоматизации: 14 9 1) разработать способ измерения маг- БП нитного поля без использования фер- 7 12 рорезонансного датчика;

2) реализовать регистрацию темпера- туры образца;

Генератор Выходной Триггерн.

Входной Таймер регистр регистр модуль 3) сохранять результаты измере АЦП- АЦП- ния в файл с возможностью даль нейшей обработки в специализиро- КАМАК ванных компьютерных программах.

Файл должен содержать информа Рис. 1. Блок-схема спектрометра антиферромаг цию об условиях эксперимента;

нитного резонанса. 1 – генератор СВЧ миллимет 4) реализовать возможность накопле- рового и сантиметрового диапазона;

2 – вентиль;

ния сигнала. 3 – аттенюатор;

4 – направленный ответвитель;

Автоматизация спектрометра 5 – детекторная секция;

6 – соленоид;

7 – обра выполнена в стандарте КАМАК зец;

8 – широкополосный усилитель;

9 – блок пи с использованием стандартных тания импульсного магнита;

10 – батарея конден модулей. Для связи ЭВМ с после- саторов;

11 – безиндуктивное сопротивление;

12 – довательным контроллером К16П цифровой вольтметр для измерения сигнала тер используется интерфейсная плата мопары;

13 – цифровой вольтметр для измерения на шине ISA. Нами были разрабо- напряжения заряда;

14 – плата управления заря таны плата управления зарядом и дом/разрядом батареи конденсаторов;

15 – интер разрядом конденсаторов и отдель- фейсная плата;

16 – ЭВМ.

ный модуль управления запуском АЦП. Схема взаимодействия модулей и остальных узлов спектрометра приведена на рисунке (рис. 1).

Для регистрации спектра магнитного резонанса были выбраны АЦП 10/1, имеющие следующие характеристики: разрядность 10, время преобразо вания 1 мкс, объем буферной памяти 409610 слов.

Для развртки магнитного поля по измерениям 10-ти разрядного АЦП е необходимо применять какой-либо алгоритм сглаживания данных. По нашему мнению, наиболее эффективным в данном случае является нелинейная аппрок симация методом наименьших квадратов (МНК). В нашем случае импульс тока в соленоиде можно достаточно хорошо описать моделью колебательного контура из включенных последовательно активного сопротивления R, индук тивности L и емкости C. Сила тока в такой цепи, нормированная на величину начального напряжения заряда батареи конденсаторов (V0 ), не зависит от ве личины V0 и определяется выражением I(t) 1 ut I(t) = = e sin(t), (1) V0 L где:

R2 C 1d R u= ;

= ;

d= (2) L LC 4L Для определения параметров R, L, C записывались серии импульсов 0.75 416 В тока при различных значениях на Код АЦП, отн.ед./В 300 В чального напряжения на конденсато 0. рах. 215 В При сопоставлении импульсов, записанных для разных значений V0, 0. было обнаружено, что с увеличением 0. начального напряжения заряда кон- 0.005 0.006 0.007 0. 0. 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0. денсаторной батареи происходит сме- Время, с щение максимума нормированного на напряжение V0 импульса тока I(t) по Рис. 2. Записи импульса тока через соленоид для различных напряжений V0, нормированные на V0, времени и увеличение его амплиту в единицах (код АЦП)/В. Гладкие линии ре ды (рис. 2). По нашему мнению этот зультат аппроксимации.

эффект связан, с различными факто рами, например, увеличением емкости конденсаторов с ростом V0, деформаци ей соленоида в момент импульса, а также разогревом измерительного шунта.

Точный учет этих факторов приводит к значительному усложнению модели и увеличению числа е параметров, и что самое важное, это не дат заметного е е улучшения качества интерполяции.

Оказалось, что вполне удовлетворительные результаты можно получить с помощью поправок к параметрам R и L, линейно зависящими от начального напряжения заряда конденсаторной батареи V0, а также добавлением норми рующего коэффициента перед правой частью выражения (1), также линейно зависящего от V0. Емкость конденсаторной батареи при этом можно считать постоянной. Полученная формула хорошо описывает ток в цепи соленоида для напряжений заряда до 1000 В со средней погрешностью аппроксимации менее 0,2 % для полей, меньших 0,8 амплитуды импульса, и менее 0,32 % для верхней части импульса, которая обычно не используется для наблюдения магнитного резонанса.

Программное обеспечение для работы со спектрометром было разрабо тано на языке Object Pascal в среде разработки Delphi с использованием методики объектно-ориентированного программирования.

Программа управления спек- трометром AFMR32 обладает сле дующими основными возможностя- ми: обеспечивает регистрацию спек- I, отн.ед.

26 Э тров магнитного резонанса одновре- 50 Э менно с регистрацией условий экспе- римента, калибровка термопары по 15,12 15,15 15,18 15,21 15, фиксированным реперным точкам, автоматическое сохранение спектров 28,8 28,9 29,0 29,1 29,2 29, магнитного резонанса, реализована H, кЭ возможность автоматической запи си температурной зависимости резо- Рис. 3. Спектр магнитного резонанса в Cu5 Bi2 B4 O14 на = 42,21 ГГц, T = 4,2 K.

нансных спектров.

На вставке: = 26,69 ГГц, T = 4,2 K.

Кроме программы управления спектрометром, создана вспомогательная программа SpectrumView позволя ющая производить отбор, первичный анализ и обработку спектров. Е основные е возможности: просмотр спектров, сравнение спектров между собой, построение в полуавтоматическом режиме различных зависимостей магнитного резонанса, аппроксимация формы линии кривыми Гаусса или Лоренца, удаление шумов методом Фурье-анализа спектра.

Калибровка спектрометра производилась по ФМР в сферическом образ це железо-иттриевого граната, ориентированного вдоль лгкого направления.

е При калибровке средний разброс значений резонансного поля ФМР относи тельно теоретической зависимости составил 0,15 %.

На рис. 3 приведены спектры магнитного резонанса, полученные в кри сталле Cu5 Bi2 B4 O14, и демонстрирующие возможности установки по разреше нию узких линий. Как видно из рисунка, если общая ширина линии более 50 Э, то точек достаточно для того, чтобы выделить основную линию магнитного ре зонанса и сопутствующие ей магнитостатические пики существенно меньшей амплитуды.

Третья глава посвящена исследованиям магнитного резонанса в кри сталле CuB2 O4 (метабората меди) в поле, параллельном тетрагональной оси.

CuB2 O4 тетрагональный кристалл, пространственная группа I с парамет- 42d рами решетки a = 11,528 A, c = 5,607 A [1,2]. Двенадцать ионов меди занимают две неэквивалентные позиции. Четыре иона Cu(A) находятся в квадратном кис лородном окружении и образуют трехмерную магнитную подсистему, облада ющую магнитным порядком ниже температуры Нееля TN = 20 К ( сильная подсистема A). Остальные восемь ионов Cu(B) занимают позиции в сильно искаженных кислородных октаэдрах и относятся к слабоупорядоченной под системе B, которая является квазиодномерной в магнитном отношении и при температурах вплоть до 2 К поляризована за счет обменного взаимодействия с ионами сильной подсистемы. Нейтронные исследования показали [1, 2, 3], что при T Tspont = 9,5 K магнитное состояние кристалла является несоизмери мым и представляет собой спираль, в которой магнитные моменты вращаются в базисной плоскости, а волновой вектор модуляции структуры k направлен вдоль тетрагональной оси. С уменьшением температуры от Tspont волновой век тор плавно увеличивается и достигает величины k=(0, 0, 0,15) при T = 1,8 K.

Магнитная фазовая диаграмма метабората меди в магнитном поле, пер пендикулярном тетрагональной оси, приведена в работе [4]. Целью настоящей работы является изучение магнитного резонанса и фазовой диаграммы мета бората меди в магнитном поле, приложенном вдоль тетрагональной оси кри сталла (продольном поле).

При исследовании температурных зависимостей резонансного поля и ши рины линии магнитного резонанса при H c в диапазоне частот от 25 до 80 ГГц обнаружены резкие аномалии (рис. 4(a)). Уширение линии (рис. 4(a), б) в обла сти аномалии уменьшалось с ростом частоты и, соответственно, резонансного поля.

Интенсивность резонансной линии при этом также испытывает анома лию (рис. 4(b)), величина которой уменьшается с ростом частоты. Ни ширина линии, ни е интенсивность не испытывают никаких особенностей в районе е температуры Нееля.

Частотно-полевая зависимость магнитного резонанса для H c (рис. 4(c)) при температуре 4,2 К практически линейна и характеризуется энергетической щелью c 1,5 ГГц. В тоже время, после перехода в соизмеримое состояние частотно-полевая зависимость имеет вид, характерный для спин–флоп моды АФМР.

Для доказательства того, что наблюдаемые аномалии связаны с перехо дом из несоизмеримого в соизмеримое состояние, были измерены зависимости продольной и поперечной намагниченности от магнитного поля вдоль тетраго нальной оси.

Полевые зависимости продольной намагниченности (рис. 4(d)) метабора та меди, измеренные вдоль тетрагональной оси, подтверждают предположение о различной степени магнитного порядка в подсистемах A и B. Эти зависи мости нелинейны, особенно при низких температурах. Насыщение происходит на уровне, соответствующем намагниченности слабой подсистемы 27,07 emu/g, а 16 H I, отн.ед.

6 4 6 б 6 5 10 15 20 TN 26,04 ГГц 37,08 ГГц H, кЭ 53,11 ГГц 76,46 ГГц 5 10 15 20 25 5 10 15 20 25 Т, К T, K (a) Температурные зависимости резонансного (b) Интенсивность линии магнитного резонанса поля и ширины линии для H c. на частоте 41,4 ГГц, H c.

a 2K 25 4. M||, emu/g 20 6. 7. 8. б 0. 8 7. 9K 70 8.5 7 6. M, emu/g 4.2 K 0. 9.0 K, ГГц 0 1 2 3 9.0 K 0. 0 10 20 30 40 0 5 10 15 20 H, кЭ H, кЭ (c) Частотно-полевая зависимость магнитного (d) Полевые зависимости параллельной и пер резонанса при температурах 4,2 и 9,7 К, H c. пендикулярной намагниченности, T Tspont.

Рис. 4. Экспериментальные данные магнитного резонанса и статических магнитных измерений в CuB2 O4.

следовательно, именно эта подсистема насыщается в относительно небольших полях.

Очевидно, что скачок поперечной на- а магниченности в базисной плоскости при T б 60 в A г Tspont = 9,5 K (рис. 4(d), a) на величину H||c д е 0,6 emu/g вызван фазовым переходом в инду- Hc||, кЭ цированное слабоферромагнитное состояние. 9 10 11 1 В области скачка поперечной намагниченно- Hc H||c сти при прямом и обратном проходе по маг- 1 нитному полю наблюдается гистерезис, сле- 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 T, K довательно, что T Tspont фазовый переход по полю вдоль тетрагональной оси, как и при Рис. 5. Фазовая диаграмма. Состоя перпендикулярной ориентации поля [5], явля- ния: 1 несоизмеримая спиральная структура, 2 соизмеримое состоя ется переходом первого рода.

ние со слабым ферромагнетизмом, Несмотря на то, что подсистема B явля фаза с большим периодом модуляции ется слабоупорядоченной, она играет важную (предположительно).

роль в образовании модулированного состоя ния, образуя вместе с подсистемой A спиральную магнитную структуру. При насыщении подсистемы B вдоль тетрагональной оси, е магнитные моменты е подворачиваются к направлению магнитного поля, при этом поперечные ком поненты моментов с приближением к критическому значению поля уменьша ются и в точке фазового перехода скачком обращаются в нуль. Таким образом, спиральное состояние существует до тех пор, пока сохраняются поперечные компоненты намагниченности подсистемы B. Границы между состояниями при T Tspont определялись также по скачкам магнитострикции, а выше Tspont по аномалиям поперечной намагниченности и резонансного поглощения, изме ренного в 3-см диапазоне. Фазовая диаграмма метабората меди в магнитном поле вдоль тетрагональной оси приведена на рис. 5.

Анализ резонансных свойств метабората меди наводит на мысль, что ре зонансное поглощение в этом кристалле при ориентации магнитного поля вдоль тетрагональной оси связано именно со слабой подсистемой ионов меди. В поль зу такого объяснения говорят следующие аргументы:

• Температурная зависимость интенсивности резонанса хорошо описывает ся законом Кюри-Вейсса с = 2 K, что характерно для магнитных систем при температурах выше температуры магнитного упорядочения.

• Резонансные параметры не испытывают аномалий при температуре упо рядочения сильной подсистемы TN = 20 K.

• Частотно-полевая зависимость резонанса в соизмеримом состоянии имеет нелинейный вид, характерный для спин-флоп моды антиферромагнети ков с ЛО анизотропии и параметрами HA = 1,26 кЭ и HE = 8,67 кЭ.

Такое поведение согласуется с нейтронными данными [2], в соответствии с которыми в соизмеримом состоянии магнитные моменты B-подсистемы ориентированы преимущественно вдоль тетрагональной оси, а моменты A-подсистемы лежат в базисной плоскости.

• Частотно-полевая зависимость резонанса в спиральном состоянии почти линейна и близка к зависимости = H, а энергетическая щель близка к нулю. По-видимому, малые значения щели, наблюдаемые в спектре маг нитного резонанса для соизмеримого и несоизмеримого состояний, обу словлены малостью обменного поля, действующего на ионы меди подси стемы B со стороны сильной подсистемы, а собственное обменное поле слабой подсистемы еще меньше.

Следует сказать, что в CuB2 O4 в несоизмеримом состоянии не наблю даются особенности, характерные для резонанса в спиральных структурах. К числу таких особенностей относятся постепенное исчезновение резонансного поглощения, соответствующего акустической ветви соизмеримой фазы, по ме ре удаления от фазовой границы вглубь несоизмеримого состояния, а также гистерезисная зависимость резонансного поля и формы линии от направле ния развртки поля. В метаборате меди в спиральном состоянии магнитный е резонанс наблюдается при уменьшении частоты до 3,5 ГГц (фазовой границе при T = 4,2 K соответствует частота 37 ГГц) и при температурах до 1,3 К, при этом интенсивность резонансного поглощения с понижением температуры растет. А форма резонансной линии и е положение не зависят от направле е ния развртки поля. Кроме того, теоретические и экспериментальные работы е по магнитному резонансу в спиральных магнетиках [6, 7, 8] говорят об очень слабой зависимости резонансной частоты от магнитного поля, а в метаборате меди в спиральном состоянии наблюдается зависимость, близкая к = H и характерная скорее для лгкоплоскостного антиферромагнетика.

е Таким образом, магнитный резонанс, наблюдаемый в метаборате меди в интервале частот 3,5 – 80 ГГц, связан со слабоупорядоченной подсистемой ионов меди, которая в несоизмеримом состоянии ведет себя, как антиферро магнетик с ЛП или ЛО анизотропии, соответственно, в несоизмеримом и со измеримом состояниях.

В четвертой главе приводятся результаты исследования методом магнит ного резонанса магнитной структуры кристалла Cu5 Bi2 B4 O14. Установлено, что данный кристалл обладает триклинной симметрией с пространственной группой P Параметры элементарной ячейки: a = 10,132 A;

b = 9,385 A;

1.

c = 3,458 A;

= 105,443 ;

= 97,405 ;

= 107,784 ;

Z = 1. Элементар ная ячейка содержит одну формульную единицу. Ионы меди занимают четыре неэквивалентные положения, все ионы имеют кислородное окружение в виде искаженного и сильно вытянутого октаэдра, при этом базис октаэдра не яв ляется правильным квадратом, степень его искажения различна для разных неэквивалентных позиций.

Образец с рентгенографически идентифицированными гранями M1 M M имел вид пластинки, вытянутой в одном направлении (вставка на рис. 6). Ось c кристалла направлена, ГГц М вдоль длинного ребра пластинки, M M М (010) кристаллографические индексы са- М мой большой грани и вытянутой (100) А боковой грани (010) и (100), со- 0 5 10 15 20 25 30 35 ответственно. Наиболее характерные H, кЭ взаимно перпендикулярные ориен тации обозначены нами M1M3. Рис. 6. Частотно-полевая зависимость магнитного резонанса при температуре T = 4,2 K для направ Ориентации M1 и M3 лежат в кри лений M1, M2, M3. На вставке: типичная форма сталлографической плоскости (010) образца.

так, что направление M1 совпадает с осью c, направление M2 перпендикулярно этой плоскости.

На основании анализа кристаллической структуры и обменных взаимо действий в Cu5 Bi2 B4 O14 нами предложена магнитная структура этого кристал ла, состоящая из двух ферромагнитных подрешеток, связанных антиферромаг нитным обменным взаимодействием.

На рис. 6 приведены частотно-полевые зависимости магнитного резонан са, измеренные при температуре 4,2 К для направлений M1 –M3. Из характера частотно-полевых зависимостей можно сделать вывод о том, что триклинная ось c (направление M1) является лгкой осью намагничивания, а направле е ния M2 и M3, близкие к триклинным осям b и a, являются трудными осями (или, по крайней мере, очень близки к ним). Причем направление M3 более трудное, чем M2.

Большинство измеренных угловых зависимостей имеют симметричный вид, минимальные и максимальные значения резонансных полей чередуются через углы, близкие к /2. Для примера на рис. 7(a) показана угловая зави симость резонансного поля, измеренная в плоскости, перпендикулярной оси c и проходящей через взаимно перпендикулярные направления M2 и M3. Здесь же отмечены положения атомных плоскостей (bc) и (ac), угол между которы ми составляет 111. Хорошо видно, что угловая зависимость является сим метричной, е максимум соответствует направлению M3, лежащему в атомной е плоскости (ac), а минимум совпадает с направлением M2, а не с положени ем атомной плоскости (bc). Подобные угловые зависимости, в которых мини (ac) (ac) 34 M 26 M3 M3 H, кЭ H, кЭ M2 (bc) 20 -30 0 30 60 90 120 150 0 30 60 90 120 150 o,, (a) Угловая зависимость резонансного (b) Угловая зависимость резонансного поля при вращении в плоскости перпен- поля на частоте 42,2 ГГц в плоскости дикулярной направлению M1. Сплош- грани А, T = 4,2 K. На рисунке отмече но направление близкое к M2.

ная линия расчет.

Рис. 7. Угловые зависимости магнитного резонанса в Cu5 Bi2 B4 O14.

мальные и максимальные значения резонансных полей чередуются через угол, близкий к /2, наблюдались как при вращении образца в других координат ных плоскостях, так и в плоскостях, не совпадающих с координатными плос костями или гранями кристалла. Исключение составляет угловая зависимость, полученная при вращении образца в плоскости, совпадающей с одной из граней основания образца (грань А на вставке рис. 6). В этом случае, как видно из рис. 7(b), зависимость имеет явно несимметричный вид.

Наблюдаемые частотно-полевые и угловые зависимости ФМР, за исклю чением рис. 7(b), имеют вид, позволяющий описывать их в рамках ромбической магнитной симметрии.

В расчетах использовалась плотность энергии, содержащая только зее мановскую и анизотропную энергию (энергией размагничивающего поля из-за малости пренебрегаем):

1 2 U = UH + Ua = M H + ax Mx + ay My. (3) 2 Здесь ax и ay константы анизотропии, Mx и My компоненты вектора намаг ниченности. Ось z совпадает с триклинной осью c, а оси x и y соответственно с направлениями M3 и M2. При ax, ay 0 основное состояние кристалла соот ветствует лгкой оси намагничивания вдоль z, а оси x и y являются трудными е с эффективными полями анизотропии Hax = ax M0 и Hay = ay M0, где M намагниченность насыщения ферромагнетика.

Используя запись для энергии (3), можно получить выражения для частотно-полевых зависимостей ФМР. В частности когда магнитное поле ори ентировано вдоль оси лгкого намагничивания z, частотно-полевая зависи е мость является квазилинейной:

= (H + Hax )(H + Hay ). (4) Если магнитное поле направлено по одной из трудных осей, например, x, то H 2 Hay Hay Hax H Hax, = Hax H + (Hay Hax ) H Hax H Hax, = (5) В результате этого расчета получены также теоретические угловые и по левые зависимости намагниченности, хорошо согласующиеся с экспериментом.

Для другой трудной оси получается аналогичная формула с заменой Hax Hay. Частотно-полевые зависимости ФМР для произвольных направле ний магнитного поля рассчитывались численно. Расчетные частотно-полевые зависимости для всех трех ориентаций магнитного поля хорошо описывают экс периментальные данные с параметрами = 3,07, Hax = 20,1 кЭ и Hay = 8,1 кЭ.

Найденные значения полей анизотропии близки к значениям полей насыщения, полученным из полевых зависимостей намагниченности для соответствующих направлений магнитного поля.

Несовпадение магнитной и кристаллической симметрии для некоторых плоскостей вращения можно было бы объяснить влиянием формы образца или двойникованием кристаллов. Однако, эффективное поле анизотропии формы образца не превышает 1 кЭ и не может конкурировать с кристаллографической анизотропией. Кроме того, на образцах, имеющих другой габитус, также были получены зависимости, аналогичные приведенным на рис. 7(a). Рентгеновские исследования подтвердили отсутствие двойникования в образцах.

На наш взгляд, кажущееся несовпадение кристаллической и магнитной симметрии кристалла Cu5 Bi2 B4 O14 можно объяснить следующим образом. В кристалле триклинной симметрии выбор координатных осей является произ вольным, поэтому вид угловых зависимостей резонансного поля в какой-либо плоскости вращения определяется расположением ионов меди в этой плоско сти.

Анализ расположения ионов меди показал, что в тех плоскостях враще ния, в которых угловые зависимости имеют симметричный вид с чередованием максимумов и минимумов через углы, близкие к /2, действительно можно вы делить фрагменты структуры (плоскости или цепочки атомов меди), взаимная ориентация которых близка к перпендикулярной. В плоскости грани А цепоч ки ионов меди ориентированны друг к другу под углом, близким к 120, что и находит отражение в соответствующей угловой зависимости.

Выводы 1. Автоматизирован спектрометр магнитного резонанса с импульсным маг нитным полем. Результатом автоматизации стало существенное упроще ние схемы измерений и увеличение их точности. Появилась возможность вести базу спектральных данных.

2. В процессе автоматизации создана новая методика формирования развртки магнитного поля для регистрации спектров магнитного резо е нанса, основанная на аппроксимации импульса тока математической мо делью колебательной разрядной цепи.

3. Создана программа управления спектрометром. Программа разработана с использованием методики объектно-ориентированного программирова ния, что позволяет использовать ее с незначительно доработкой для дру гих спектрометров магнитного резонанса. Разработана вспомогательная программа просмотра и первичной обработки спектров.

4. С помощью автоматизированного спектрометра проведены исследования магнитного резонанса в кристалле CuB2 O4. Показано, что этот резонанс обусловлен слабоупорядоченной подсистемой метабората меди. С помо щью магнитного резонанса исследован магнитный фазовый переход в сла боферромагнитное состояние, происходящий в поле вдоль тетрагональной оси. Для такой ориентации поля построена магнитная фазовая диаграмма CuB2 O4.

5. Впервые выполнены исследования магнитного резонанса нового оксокуп рата Cu5 Bi2 B4 O14 триклинной симметрии. Установлено, что триклинная ось c является осью лгкого намагничивания, а направления, лежащие в е перпендикулярной плоскости и близкие к триклинным осям a и b, являют ся трудной и промежуточной осями с полями анизотропии, соответствен но, 20,1 кЭ и 8,1 кЭ. Показано, что большая часть экспериментальных данных по магнитному резонансу хорошо описывается в приближении ромбической симметрии.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

1. Синтез нового оксокупрата Cu5 Bi2 B4 O14 и исследование его структурных, магнитных и резонансных свойств / Г. А. Петраковский, К. А. Саблина, А. И. Панкрац, В. И. Тугаринов и др. // Физика твердого тела. 2002.

Т. 44, № 7. С. 1280–1284.

2. Pankrats A. I., Tugarinov V. I., Sablina K. A. Magnetic resonance in new copper oxide Cu5 Bi2 B4 O14 with triclinic symmetry // J. Mag. Mag. Mat.

2004. Vol. 279. Pp. 231–234.

3. Тугаринов В. И., Панкрац А. И., Макиевский И. Я. Автоматизирован ный спектрометр магнитного резонанса с импульсным магнитным полем // Приборы и техника эксперимента. 2004. № 4. С. 56–61.

4. Magnetic resonance and the magnetic phase diagram of copper metaborate CuB2 O4 / A. Pankrats, G. Petrakovskii, V. Tugarinov et al. // The Physics of Metals and Metallography. 2005. Vol. 100, no. 1. P. S76–S78.

5. Магнитная фазовая диаграмма метабората меди CuB2 O4 в магнитном поле, параллельном тетрагональной оси / Г. А. Петраковский, А. И. Панкрац, В. И. Тугаринов и др. // Укр. физ. журн. 2005. Т. 50, № 8D. С. D135– D141.

6. Magnetic phase diagram of copper metaborate CuB2 O4 in magnetic eld parallel to c-axis / A. Pankrats, G. Petrakovskii, V. Tugarinov et al. // J. Mag. Mag. Mat. 2006. Vol. 300, no. 1. Pp. e388–e391.

7. Magnetic resonance in new copper oxide Cu5 Bi2 B4 O14 with triclinic symmetry / A. Pankrats, G. Petrakovskii, V. Tugarinov, K. Sablina // MISM 2002. Books of abstracts. 2002. June 20-34. P. 311. Moscow.

8. Тугаринов В. И., Панкрац А. И. Исследование фазовой диаграммы ме табората меди резонансным методом // ВНКСФ-9. Т. 1. Красно ярск: 2003. 28 Марта-3 Апреля. С. 336–337.

9. Тугаринов В. И., Панкрац А. И., Макиевский И. Я. Автоматизация спектрометра магнитного резонанса с импульсным магнитным полем // ВНКСФ-9. Т. 2. Красноярск: 2003. 28 Марта-3 Апреля. С. 995–996.

10. Magnetic phase diagram of copper metaborate CuB2 O4 in magnetic eld parallel to c-axis / A. Pankrats, G. Petrakovskii, V. Tugarinov et al. // MISM 2005. Books of abstracts. 2005. June 25-30. P. 274.

11. Роль двух подсистем ионов меди в низкотемпературных магнитных и ре зонансных свойствах метабората меди CuB2 O4 / А. И. Панкрац, Г. А. Пет раковский, В. И. Тугаринов и др. // 34 совещание по физике низких тем ператур. 2006. September 26-30. С. 29–30. Ростов-на-Дону - п.Лоо.

12. Pankrats A., Petrakovskii G., Tugarinov V. Magnetic resonance of the weak subsystem of Cu2+ ions in CuB2 O4 // EASTMAG-2007 Magnetism on Nanoscale.

Abstract

book. 2007. August 23-26. P. 84. Kazan.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Formation of a magnetic soliton lattice in copper metaborate / B. Roessli, J. Schefer, G. Petrakovskii et al. // Phys. Rev. Lett. 2001. Vol. 86, no. 9.

Pp. 1885–1888.

2. Complex magnetic ground state of CuB2 O4 / M. Boehm, B. Roessli, J. Schefer et al. // Phys. Rev. B. 2003. Vol. 68, no. 2. Pp. 024405–1–024405–9.

3. Soliton lattice in copper metaborate, CuB2 O4, in the presence of an external magnetic eld / T. Schefer, M. Boehm, B. Roessli et al. // Appl. Phys. A.

2002. Vol. 74. Pp. s1740–s1742.

4. Новые магнитные состояния в метаборате меди CuB2 O4 / А. И. Панкрац, Г. А. Петраковский, К. А. Саблина и др. // Письма в ЖЭТФ. 2003.

Т. 78, № 9. С. 569–573.

5. Soliton lattice in coppermetaborate, CuB2 O4, in the presence of an external magnetic eld / J. Schefer, M. Boehm, B. Roessli et al. // Appl.Phys.A.

2002. Vol. 74. Pp. S1740–S1742.

6. Cooper B., Elliott R. J. Spin-wave theory of magnetic resonance in spiral spin structures: eect of an applied eld // Phys. Rev. 1963. Vol. 131, no. 3.

Pp. 1043–1056.

7. Sosin S. S., Prozorova L. A., Zhitomirsky M. E. Comparative study of ESR spectra in incommensurate antiferromagnets // Письма в ЖЭТФ. 2004.

Vol. 79, no. 2. Pp. 104–110.

8. Observation of higher-harmonic helical spin-resonance modes in the chromium spinel CdCr2 O4 / S. Kimura, M. Hagiwara, H. Ueda et al. // Physical Review Letters. 2006. Vol. 97, no. 25. P. 257202.

Подписано в печать 30.10. Формат 60 84/ Усл. печ. л. 1. Тираж 70. Заказ № Отпечатано в типографии Института физики СО РАН 660036 Красноярск, Академгородок, ИФ СО РАН

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.