В 1968 г. в работе [1] было обнаружено необычное немонотонное изменение динамической магнитной восприимчивости в кристалле ЬаСЬ: Но при температуре ~1 К в зависимости от величины внешнего постоянного магнитного поля. На частотах переменного поля из интервала 10 -5×10 Гц в магнитно-полевой зависимости вещественной и мнимой частей восприимчивости наблюдались узкие экстремумы при величинах напряженности постоянного поля, отвечающих точкам вырождения электронно-ядерных подуровней основного состояния примесных ионов Но3+. Несколько лет назад аналогичные результаты были получены при измерениях динамической восприимчивости разбавленного парамагнетика ГЛУБ^Но (0,1%) в работе [2]. Наблюдаемые в [1] и [2] особенности поведения магнитной восприимчивости были предсказаны Н. Бломбергеном с сотрудниками в их классическом исследовании кросс-релаксации в спиновых системах [3]: «.восприимчивость обычно рассматривается при фиксированной частоте как функция постоянного магнитного поля. На этой зависимости может появиться максимум, поскольку при некоторых значениях внешнего поля для некоторых пар уровней разности энергии могут стать почти равными». Авторы работы [1] считали, что в магнитной восприимчивости кристалла ЬаСЬ: Но проявляется эффект узкого фононного горла, хотя их рассуждения не были доказательны.
Сильную зависимость скорости релаксации намагниченности кристалла 1лУТ, 4: Но',+ от внешнего магнитного поля показали также измерения магнитного гистерезиса при сверхнизких температурах [4] и измерения скорости релаксации намагниченности ядер фтора [5].
Аналогичные магнитные явления наблюдаются при измерениях магнитной восприимчивости [6] и магнитного гистерезиса [7], [8], [9], [10] в системах совершенно иного типа — мономолекулярных магнитах. Интерес к магнитным системам, состоящим из нескольких десятков атомов и характеризуемых большим эффективным спином основного состояния, связан с выяснением зависимости между структурой этих систем и их свойствамис необходимостью развития теории динамики намагниченности квантовых систем, взаимодействующих с фононным и спиновым термостатами [11], [12], [13], [14].
Особенности полевой зависимости скорости магнитной релаксации в рассмотренных системах до сих пор не получили количественного.
Но.
• / 3+ объяснения. Кристалл ГлУБ^Но является более простым для исследования объектом, поскольку изучался длительное время как лазерный материал, известна пространственная структура кристалла, были измерены оптические и ЭПР спектры примесных редкоземельных ионов, известны параметры кристаллического поля. Химические связи в кристалле 1лУр4 имеют ионный характер, поэтому электронные молекулярные орбитали приближенно совпадают с атомными орбиталями. Последний факт существенно отличает соединение 1лУР4: Но3+ от молекулярных магнитов, часто характеризуемых неполярными и ковалентными связями. Знание электронных волновых функций позволяет использовать простые приближения для описания электронной структуры примесных лантаноидов в этом кристалле (см., например, [15]).
Структура энергетического спектра иона Но3н подобна спектрам молекулярных магнитов, хотя величины расщеплений на порядок меньше. Гольмий имеет только один изотоп 165Но с ядерным спином /=7/2 с наибольшей среди редкоземельных элементов константой магнитного сверхтонкого взаимодействия в основном мультиплете. Сверхтонкое расщепление основного электронного дублета иона, Но в кристалле 1лУР4 равно 1 см-1- шестнадцать электронно-ядерных подуровней многократно пересекаются при изменении внешнего магнитного поля (см. главу 1).
Для объяснения сильной зависимости скорости магнитной релаксации в кристалле ГлУБ^Но от внешнего магнитного поля необходимо развить модель спиновой динамики, основанную на подробном рассмотрении кристаллического поля, сверхтонких взаимодействий, достоверных оценках констант электрон-фононного взаимодействия и параметров взаимодействий примесных ионов друг с другом. Необходимо исследовать процессы электрон-фононной и спин-спиновой релаксации. Изучение межионных взаимодействий важно и для теории магнитного упорядочения в модельном антиферромагнитке 1лНоР4.
Диссертация выполнялась в рамках научного проекта, направленного на развитие микроскопической теории магнитной динамики кристаллов ХлУР^Ьп. Обсуждаемые в работе измерения были выполнены в Институте спектроскопии РАН (Московская область, г. Троицк), Лаборатории имени Л. Нееля (Гренобль, Франция), Казанском физико-техническом институте РАН (Казань) и в Санкт-Петербургском государственном университете.
Целью работы является.
• Определение параметров кристаллического поля в кристаллах Ь1 у.е.4: Ьп3+, в том числе статистических характеристик случайных компонент, обусловленных искажениями решетки.
• Изучение межионных взаимодействий в парных центрах (Но3+)2.
• Вычисление постоянных связи ионов, Но с фононами, вероятностей электрон-фононных переходов.
• Развитие теории спиновой динамики парамагнитных ионов, взаимодействующих с фононным и спиновым термостатами.
• Объяснение особенностей динамической магнитной восприимчивости кристалла ЫУР4: Но3+ в зависимости от концентрации примесей, температуры, частоты переменного поля и напряженности внешнего постоянного магнитного поля.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту 1. Метод расчета динамической магнитной восприимчивости разбавленных парамагнетиков, основанный на полуфеноменологической модели кристаллического поля и электрон-фононного взаимодействия.
2. Впервые показано, что процессы кросс-релаксации могут играть доминирующую роль в нерезонансном отклике парамагнетика на внешнее переменное поле при наличии пересечений уровней энергии парамагнитных ионов. Доказано существование эффекта узкого фононного горла в релаксации намагниченности кристаллов ГлУБ^Но с концентрациями ионов гольмия порядка 0,1% при температурах жидкого гелия, учет которого, как и процессов кросс-релаксации, необходим при объяснении результатов измерений динамической магнитной восприимчивости.
3. Показано, что доминирующую роль в формировании изотопической структуры сигналов ЭПР, обусловленной изотопическим беспорядком в кристаллической решетке, играют локальные деформации решетки, индуцированные дефектами массы.
4. Случайное кристаллическое поле в кристалле 1лУр4: Но3+ приводит к расщеплениям вырожденных сверхтонких подуровней энергии ионов гольмия порядка 0,01 см" 1 и определяет экстремумы релаксации намагниченности в области антипересечений состояний с одинаковыми проекциями ядерного момента. Увеличение параметров случайного поля с концентрацией ионов гольмия свидетельствует о возникновении локальных деформаций решетки, индуцированных примесными ионами.
5. Доминирующую роль в формировании спектров парных центров ионов.
3 I л гольмия (Но)2 в кристалле ГлУР^ играют магнитные диполь-дипольные взаимодействия между ионами и изменения кристаллического поля по сравнению с полем, действующим на одиночные ионы.
Научная и практическая значимость работы.
Результаты работы могут служить основой для дальнейших исследований динамики намагниченности кристалла 1лУР4: Но3+ в свипируемых магнитных полях при сверхнизких температурах [4], для объяснения особенностей магнитной восприимчивости кристаллов ЬаС13: Но.
1] и молекулярных магнитов.
Выполненное теоретическое исследование динамической магнитной восприимчивости на частотах 10 — 10 Гц стимулировало измерения восприимчивости на частотах вплоть до 20 000 Гц в Санкт-Петербургском государственном университете, в диссертации обсуждаются эти результаты.
Результаты работы были использованы для объяснения данных измерений скорости релаксации намагниченности ядер фтора в кристалле.
О I.
1лУТу.Но, выполненных в университете Павии (Италия) [16].
Разработанный метод расчета динамической магнитной восприимчивости использован при выполнении проекта ИНТАС 03−51−4945 и проекта РНП 2.1.1.7348 Министерства образования и науки Российской Федерации.
При выполнении диссертационной работы были разработаны компьютерные программы для моделирования спектров ЭПР и оптических спектров широкого класса соединений, интерпретации параметров кристаллического поля в рамках модели обменных зарядов, вычисления параметров электрон-фононного взаимодействия, моделирования динамической магнитной восприимчивости. Эти программы уже были использованы при объяснении оптических спектров ионов лантаноидов в различных соединениях.
Достоверность предложенной модели обеспечивается использованием современных методов теории твердого тела и сравнением результатов выполненных в диссертации аналитических и численных расчетов с данными измерений.
Личный вклад автора.
Задачи, рассмотренные в диссертации, были поставлены научным руководителем.
Автору работы принадлежат все результаты расчетов, изложенные в.
параграфах 1.2 (структура линий ЭПР, обусловленная изотопическим беспорядком в литиевой подрешетке), 1.5 (спектры ЭПР парных центров), 2.1 (модель электрон-фононного взаимодействия), 2.2 (описание оптического спектра кристалла LiYF^Ho), 2.3 (анализ данных пьезоспектроскопических исследований).
Результаты, представленные в остальных параграфах, получены совместно с научным руководителем.
Автор работы разработал все компьютерные программы, использованные при получении результатов диссертации.
Апробация работы.
Результаты работы были представлены в докладах на:
1) международной конференции «Modern development of Magnetic Resonance», Kazan, August 15−20, 2004.
2) международном семинаре «Manipulating Quantum Spins and Classical Dots», 25−29 April 2005, Ecole de Physique Les Houches, France.
3) международной конференции «International Conference on Physics of Optical Materials and Devices», Montenegro, 31.08−02.09, 2006.
4) международной конференции «International Conference on f-elements ICFE6», Wroclaw, Poland, 04−09.09, 2006.
5) международном симпозиуме.
APES 2006 5th Asia-Pacific EPR/ESR Symposium 2006, 24−27 August, Novosibirsk.
6) итоговой конференции по научно-исследовательской деятельности Казанского государственного университета за 2005 год.
7) XIII Феофиловском симпозиуме по спектроскопии кристаллов, активированных переходными металлами и редкоземельными ионами, Иркутск, 9−14 Июля, 2007.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 5 статьях (в журналах Appl. Magn. Resonance, Phys. Rev. В, J. Alloys Compounds, Физика твердого тела, Оптика и спектроскопия) и 9 тезисах конференций.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 61 наименование. Работа изложена на 110 страницах, содержит 35 рисунков и 7 таблиц.
Основные результаты работы.
Определены параметры кристаллического поля в изо структурных кристаллах 1ЛУР4 и 1ЛЬиР4, активированных ионами Бу3+, Ег3+ и Но3+, описывающие полевые зависимости спектров ЭПР и согласующиеся с данными оптических измерений.
Сравнение спектров ЭПР ионов Но3+ в кристаллах с естественным содержанием изотопов лития со спектрами кристаллов, обогащенных по изотопам 71л и 6Ы, позволило однозначно интерпретировать обнаруженную тонкую структуру спектральных линий как результат изотопического беспорядка в литиевых подрешетках. Показано, что доминирующую роль в формировании изотопической структуры сигналов ЭПР играют индуцированные дефектами массы локальные деформации кристаллической решетки. На основе расчета смещений ионов фтора, ближайших к.
6 7 • изолированному примесному изотопу 1л в решетке ЫУР4, и соответствующих изменений кристаллического поля в соседних позициях редкоземельных ионов определены интервалы изотопической структуры, согласующиеся с данными измерений.
По результатам исследования структуры ЭПР спектров парных центров примесных ионов гольмия в 1ЛУР4 идентифицированы спектральные линии, относящиеся к конкретным димерам. Получены важные для дальнейших исследований магнитных состояний и квантовых фазовых переходов в магнитно-разбавленных ферромагнетиках ЫНохУ1хР4 и 1лЬихНо, хР4 оценки энергии обменных взаимодействий между ионами гольмия.
Из анализа энергетических расщеплений в спектре основного электронного дублета иона Но3+ в кристалле 1лУР4 определены статистические характеристики случайного кристаллического поля.
В рамках микроскопической теории электрон-фононного взаимодействия (обусловленного модуляцией кристаллического поля колебаниями решетки), линейного по операторам рождения и уничтожения фононов, вычислены постоянные связи ионов Но3+ с фононами. Вклад в постоянные связи, обусловленный смещением подрешеток относительно друг друга при однородной деформации кристалла, вычислен с использованием динамической модели решетки. Значения постоянных связи с колебаниями решетки уточнены при анализе результатов измерений расщеплений линий дублет-синглетных переходов в оптических спектрах кристалла 1лУР4: Но3+ под давлением.
Из сопоставления опубликованного в литературе и вычисленного энергетического спектра основной конфигурации 4Г10 иона Но3+ в кристалле 1ЛУТ4 определены радиальные параметры эффективного гамильтониана многоэлектронного атома. Среднеквадратичная погрешность вычисляемого спектра конфигурации равна, а — 3 см-1.
С использованием основного кинетического уравнения для одноионной матрицы плотности получено выражение для динамической магнитной восприимчивости парамагнитных ионов, взаимодействующих с фононным и спиновым термостатами. На основе развитой теории имеется возможность учитывать перенормировку вероятностей электрон-фононных переходов, обусловленную эффектом узкого фононного горла.
Из результатов моделирования динамической магнитной восприимчивости, вычисленной с использованием найденных во второй главе постоянных электрон-фононного взаимодействия и полученных в третьей главе формул, показано, что эффективные скорости спин-решеточной релаксации уменьшаются на два порядка величины вследствие эффекта узкого фононного горла.
Многократное увеличение скоростей магнитной релаксации во внешних постоянных магнитных полях, соответствующих вырождению электронно-ядерных подуровней основного электронного дублета, объяснено процессами кросс-релаксации. Феноменологические параметры кросс-релаксации определены из анализа экстремумов в полевой зависимости восприимчивости. Показано, что случайное кристаллическое поле низкой симметрии, характеристики которого определены в первой главе, важно для объяснения некоторых экстремумов.
Таким образом, достигнуто согласованное описание всех особенностей измеренной зависимости вещественных и мнимых частей магнитной восприимчивости от постоянного магнитного поля, температуры, концентрации примесных ионов в диапазоне частот переменного поля, различающихся на два порядка. Использованные параметры фононной и магнитной подсистем кристаллов Ы" УТ4 с различными концентрациями ионов гольмия имеют ясный смысл и согласуются с физически обоснованными оценками соответствующих величин.
Список работ автора по теме диссертации.
1. Перестраиваемая высокочастотная ЭПР спектроскопия кристаллов LiYF4 и LiLuF4, активированных редкоземельными ионами / Г. С. Шакуров, Б. З. Малкин, М. В. Ванюнин, C.JI. Кораблева // Физика твердого тела — 2008. -Т.50. — С.1559−1564.
2. Laser-polarimetric measurements of magnetic ac-susceptibility in LiYF4: Ho crystals / B. Barbara, V.S.Zapasskii, G.G.Kozlov, B.Z.Malkin, M.V.Vanyunin, V.M.Reiterov. // Optics and Spectroscopy — 2008. — V.104. — P.218−224.
3. Relaxation rates of magnetization in.
LiYF4:Ho3+ crystals / B.Z.Malkin, M.V.Vanyunin, B. Barbara, S. Bertaina // Journal of Alloys and Compounds -2008. — V.451. — P.473−476.
4. Cross-relaxation and phonon bottleneck effects on magnetization dynamics in LiYF4: Ho3+ / S. Bertaina, B. Barbara, R. Giraud, B.Z.Malkin, M.V.Vanuynin,.
A.I.Pominov, A.L.Stolov, A.M.Tkachuk // Phys. Rev. В — 2006. — V.74. -P.18 4421(1−13).
5. Direct measurements of anticrossings of the electron-nuclear energy levels in LiYF4: HoJ+ with the submillimeter EPR spectroscopy / G.S.Shakurov, M.V.Vanyunin, B.Z.Malkin, B. Barbara, R.Yu.Abdulsabirov, S.L.Korableva // Appl. Magn. Res. — 2005. — V.28. — P.251−265.
6. Tunable high frequency EPR spectroscopy of impurity RE3+ ions in the LiYF4 and LiLuF4 crystals / G. S^Shakurov, B.Z. Malkin, M.V. Vanyunin, S.L. Korableva // Book of abstracts, XIII Feofilov symposium on spectroscopy of crystals doped by rare earth and transition metal ions, Irkutsk, July 9−14, 2007, p. 119.
7. X-ray and magnetic ac-susceptibility studies of K/?3Fi0 (7?=Er, Dy) fluorides at temperatures 0.15−300 К / A.V. Savinkov, H. Suzuki, S. Abe, K. Matsumoto,.
B.Z. Malkin, M.V. Vanyunin, H. Kaneko, Y. Xue, J. Yoshida, N. Kuwata // 62th Annual Meeting of Physical Society of Japan, Hokkaido University,.
Sapporo, Japan, 21−24 September 2007, Meeting abstract book, Vol. 62, Iss. 2, Part 3, 22aPS-l, p. 459.
8. Высокочастотная перестраиваемая ЭПР спектроскопия кристаллов LiYF4 и LiLuF4, активированных редкоземельными ионами / Г. С. Шакуров, Б. З. Малкин, М. В. Ванюнин, C. J1. Кораблева // Тезисы докладов XIII Всероссийского семинара-совещания «Оптика и спектроскопия конденсированных сред», Краснодар, 30.09−06.10.2007, с. 32.
9. Characterization of Но3+ pairs in LiYF4 and LiLuF4 by high-resolution spectroscopy / M.N. Popova, S.A. Klimin, D. Pytalev, G.S. Shakurov, B.Z. Malkin, M.V. Vanyunin, R.Yu. Abdulsabirov, S.L. Korableva // Abstracts of International Conference on Physics of Optical Materials and Devices, Montenegro, 31.08−02.09 2006, P.66.
10. Динамическая магнгитная восприимчивость кристалла LiYF4: Ho3+, М. В. Ванюнин, Итоговая конференция по научно-исследовательской деятельности Казанского государственного университета за 2005 год, Сборник материалов, ч.1, Казань 2006, с. 9.
11. Magnetization relaxation rates in LiYF4: Ho3+ crystals / M.V.Vanyunin, B.Z.Malkin, B. Barbara, S. Bertaina //International Conference on f-elements ICFE6, Wroclaw, Poland, 04−09.09 2006, Book of abstracts, EP26.
12. Studies of isotopic disorder in 7Liv6Lii. xYP4:Ho3+ crystals by high frequency EPR / Gilman S. Shakurov, Boris Z. Malkin, Mikhail V. Vanyunin //APES 2006, 5th Asia-Pacific EPR/ESR Symposium 2006, 24−27 August, Novosibirsk, Russia, Book of abstracts, p.75.
13. Piezospectroscopic measurements and spin-phonon relaxation rates in in LiYF4: Ho3+ single crystals / B.Z.Malkin, A.I.Pominov, A.L.Stolov, M.V.Vanyunin // International Workshop «Manipulating Quantum Spins and Classical Dots», 25−29 April 2005, Ecole de Physique Les Houches, France, Abstracts.
14. Submillimeter EPR spectra in LiYF4: Ho3+ and Direct Measurements of Anticrossings of the Electron-Nuclear Energy Levels / G.S.Shakurov,.
M.V.Vanyunin, B.Z.Malkin // Modern development of Magnetic Resonance, Abstracts of the International Conference, Ed. K. Salikhov, Kazan, August 1520, 2004, p. 159.
Заключение
.
Основным результатом диссертации является микроскопическая теория линейного нерезонансного отклика электронно-ядерной подсистемы л I разбавленного парамагнетика 1ЛУР4: Но на переменное магнитное поле. В рамках этой теории дана интерпретация всех особенностей полевых, температурных, концентрационных и частотных зависимостей восприимчивости кристаллов 1ЛУР4: Но. Разработанная модель основана на подробном рассмотрении кристаллического поля с учетом случайных искажений решетки, скоростей электрон-фононной релаксации с учетом эффекта узкого фононного горла, сверхтонких и межионных взаимодействий. Единый теоретический подход, основанный на описании ион-решеточного взаимодействия в рамках модели обменных зарядов, используется при рассмотрении широкого спектра характеристик редкоземельных соединений. Параметры модели определены из анализа оптических спектров и спектров ЭПР, данных измерений вещественной и мнимой компонент восприимчивости на частотах.
10 — 104 Гц в образцах с различными концентрациями ионов гольмия.
В дальнейшем было бы интересно выполнить анализ анизотропии динамической восприимчивости в кристалле 1л? Р4:Но3+. Модель может быть использована в исследовании динамики намагниченности кристаллов л г.
1ЛУР4:Но при сверхнизких температурах и в быстро изменяющихся магнитных полях [4]. Разработанный метод может быть распространен на другие магнитные системы, в частности, на мономолекулярные [51]-[61].
