Взаимодействие магнитной и проводящей электронных подсистем в редкоземельных металлах

Среди элементов периодической системы Менделеева явление феррои антиферромагнитного упорядочения наблюдается не только у Зс/-переходных элементов, но и в обширной группе редкоземельных элементов, которые обладают незаполненной Af-оболочкой. Хотя отдельные физико-химические свойства редкоземельных элементов были известны сравнительно давно, большая часть информации о магнитных свойствах в металлическом состоянии была получена для них лишь в последние четыре десятилетия. Решение проблемы очистки и разделения редких земель дало основу бурному развитию работ по изучению магнитных и других физико-химических свойств чистых редкоземельных металлов (РЗМ) и их сплавов.

Изучение магнитных и электрических свойств, магнитной анизотропии, магнитострикции, магнитного гистерезиса и других свойств РЗМ не только индуцировало поиски композиций, обладающих рекордными магнитными параметрами, но и имело фундаментальное значение для развития теории магнетизма. При этом было установлено, что многие магнитные свойства РЗМ и их сплавов обусловлены спецификой электронной структуры ионов редких земель, а также особенностями энергетического спектра электронов проводимости.

В РЗМ и их сплавах можно провести достаточно четкое деление на электроны, обладающие локализованными магнитными моментами, и электроны проводимости. Для описания магнитного упорядочения в них можно использовать более простые теоретические модели, чем в других переходных металлах. Поэтому эти вещества удобны для проверки и уточнения теоретических концепций, широко применяющихся для описания магнитоупорядоченного состояния в металлических ферромагнетиках и антиферромагнетиках.

Другой характерной особенностью этих магнетиков является то, что в них наблюдаются длиннопериодические магнитные структуры, периоды которых зависят от топологических особенностей поверхности Ферми (ПФ).

Таким образом, все сказанное выше позволяет характеризовать физику редкоземельных магнетиков как отдельную область физики магнетизма, имеющую большое теоретическое и прикладное значение [1]. Для ее развития важное значение имеет исследование явлений, обусловленных влиянием электронной структуры редкоземельных ионов и энергетического спектра электронов проводимости на магнитное упорядочение РЗМ и их сплавов, что диктует необходимость комплексного изучения их магнитных, транспортных, упругих и других физических свойств. Данная диссертационная работа посвящена изучению взаимодействия подсистемы локализованных магнитных электронов с подсистемой электронов проводимости в тяжелых редкоземельных металлах.

В главе «Общие свойства тяжелых редкоземельных металлов» кратко описаны основные свойства тяжелых РЗМ, представлены кристаллические, электронные и магнитные структуры, встречающиеся в этих элементах, а также рассмотрено обменное взаимодействие через электроны проводимости, которое имеет место в тяжелых РЗМ. В главе «Влияние топологии ПФ на магнитные структуры, реализующиеся в тяжелых РЗМ» основное внимание уделено непосредственно механизму влияния энергетического спектра электронов проводимости на магнитные свойства РЗМ, отдельный параграф посвящен теоретическому рассмотрению электронных топологических переходов (ЭТП) в металлах. В конце главы изложены цели и идея проводимого исследования и приводится краткий литературный обзор работ по теме диссертации.

В главе «Эксперимент» приводится описание методики и техники экспериментов, представлены результаты и их обсуждение.

В конце диссертации приводятся основные выводы, сделанные на основании результатов проведенного исследования и заключение.

5. Выводы.

Целью работы было выяснение особенностей взаимодействия системы локализованных магнитных электронов и электронов проводимости в тяжелых редкоземельных металлах. Результаты накопленных на данный момент теоретических и экспериментальных исследований указывают на то, что магнитные свойства тяжелых РЗМ предельно чувствительны к энергетическому спектру электронов проводимостинастолько чувствительны, что магнитное поведение этих металлов невозможно адекватно описать, используя липа традиционный подход, в котором существование длиннопериодических антиферромагнитных структур рассматривается исключительно в терминах конкуренции обменных взаимодействий между ближайшими магнитными моментами, моментами, следующими за ближайшими и т. д. Используя только такой подход невозможно объяснить экспериментально наблюдаемую нелинейную зависимость волнового вектора геликоидальной структуры от отношения параметров решетки с/а, зависимость температуры перехода геликоидальный антиферромагнетик — ферромагнетик от давления и т. д. Поэтому мы в своих рассуждениях для описания магнитного поведения тяжелых РЗМ основывались на другом подходе, а именно на гипотезе нестинга магнитных структур, заключающейся в том, что величина и поведение волнового вектора антиферромагнитного геликоида в точности повторяет величину и поведение особого участка поверхности Ферми — тонкой перемычки вблизи точки L зоны Бриллюэна. Кроме того, мы исходили из предположения, что в тяжелых РЗМ под влиянием относительно слабого внешнего воздействия (например, одноосного механического напряжения) может происходить электронный топологический переход, связанный с возникновением/исчезновением перемычки в точке L. (На то, что ЭТП в тяжелых редкоземельных металлах действительно должен существовать, указывают теоретические расчеты зонной структуры этих материалов). Из этих двух предположений незамедлительно следует, что имеется возможность управлять магнитным поведением металла, изменяя энергетический спектр электронов проводимости, причем для отчетливого изменения электронной структуры по-видимому достаточно небольших внешних воздействий, вызывающих изменение отношения констант решетки с/а менее 1%.

Действительно, эксперименты Андрианова и др. [70], [77] показали, что в тяжелых РЗМ под действием небольшого (не превышающего предел упругости) одноосного растяжения или сжатия может происходить изменение магнитного поведения образца: либо полное подавление антиферромагнитной геликоидальной структуры (в экспериментах при одноосном растяжении), либо наоборот ее появление в образце, который при атмосферном давлении имел лишь ферромагнитно упорядоченную фазу (в экспериментах при одноосном сжатии). Между тем в этих экспериментах исследовались лишь магнитные свойства металлов, и не было никаких прямых доказательств того, что изменение магнитного порядка в исследованных РЗМ было вызвано именно электронным топологическим переходом.

В эксперименте, выполненном в рамках диссертационной работы, нам удалось найти прямое доказательство того, что в тяжелом РЗМ тербии электронный топологический переход действительно происходит при одноосном растяжении образца вдоль гексагональной оси с и сопровождается изменением магнитного поведения. ЭТП был обнаружен при комнатной температуре по аномалии поведения констант кристаллической решетки при растяжении, причем на зависимости обратной жесткости образца от механического напряжения совершенно отчетливо видна сингулярная добавка в виде квадратного корня при значениях растяжения ниже критического. Такое поведение обратной жесткости полностью согласуется с теоретическими расчетами поведения упругих свойств металла вблизи ЭТП и является отличительной особенностью переходов Лифшица. Измерения термо-ЭДС тербия при одноосном растяжении также свидетельствуют в пользу ЭТП. При этом значение критического механического напряжения, полученное из измерения упругих свойств тербия (и зависимости термо-ЭДС от растяжения) с большой точностью совпадает со значением механического напряжения, при котором происходит подавление антиферромагнитного порядка. Можно с уверенностью утверждать, что упругая аномалия и изменение типа магнитного порядка в тербии являются следствиями одного и того же явления — вероятнее всего изменения топологии поверхности Ферми.

Исследование магнитных свойств тяжелых РЗМ под одноосным и гидростатическим давлением выявило еще одну важную особенность: давление оказывает одно и то же (одинаковое) влияние на магнитное поведение всех исследованных РЗМ и их сплавов, выражающееся в увеличении температурного интервала, в котором существует антиферромагнитный геликоид (за счет уменьшения интервала, в котором существует ферромагнитная фаза). То есть давление (и одноосное, и гидростатическое) стабилизируют длиннопериодическое магнитное упорядочение во всех тяжелых РЗМ, в которых это упорядочение существует. И наоборот, одноосное растяжение подавляет антиферромагнитный геликоид (как было показано в работе [70]). Причем зависимость температурного интервала, в котором существует антиферромагнитная фаза от давления описывается характерной корневой зависимостью AT=(p*-p)½, где рдавление, при котором происходит подавлеие антиферромагнитного порядка. Особенно отчетливо эта зависимость видна из экспериментов при одноосном растяжении/сжатии. Такое поведение является характерным для металла вблизи электронного топологического перехода.

Сравнение результатов экспериментов по исследованию магнитных свойств тяжелых РЗМ и их сплавов под одноосным и гидростатическим давлением позволяют прояснить роль отношения параметров гексагональной кристаллической решетки с/а в формировании магнитного порядка. Эксперименты на образцах нескольких РЗМ и их твердых растворов показали, что одноосное давление оказывает гораздо большее влияние на интервал стабильности антиферромагнитного геликоида, чем гидростатическое сжатие. Между тем влияние одноосного и гидростатического давления на температуру магнитного упорядочения практически одинаково. Отсюда следует два важных вывода.

Первый состоит в том, что магнитный порядок в образце зависит именно от отношения параметров решетки с/а. Изотропная деформация решетки, при которой это отношение практически не меняется, оказывает гораздо более слабое влияние на магнитные свойства тяжелых РЗМ, по сравнению с анизотропной деформацией. Второй важной особенностью является различие в поведении температуры магнитного упорядочения и температуры перехода геликоидальный антиферромагнетикферромагнетик под давлением. Если температура ферромагнитного перехода очень сильно зависит от того, как именно деформировали решетку — изотропно или вдоль одного направления, то есть предельно чувствительна именно к изменению отношения с/а, а не к пропорциональному изменению констант решетки, то температура магнитного упорядочения оказалась нечувствительна к типу прилагаемого давления. Этот результат объясняется тем, что согласно нашей гипотезе температуры этих переходов управляются различыми по своей природе механизмами: температура магнитного упорядочения зависит от обменных констант и обнаруживает одинаковую слабую линейную зависимость и от одноосного, и от гидростатического давления. Температура же перехода геликоидальный антиферромгнетик — ферромагнетик определяется нестингом поверхности Ферми, и обнаруживает нелинейную зависимость от прилагаемого давления (причем влияние одноосного давления в несколько раз сильнее гидростатического). Эту зависимость можно рассматривать как пример существенно нелинейного магнитоупругого взаимодействия в металлах.

Результаты наших экспериментов также принесли новую количественную информацию, касающуюся зонной структуры тербия. Значения параметров кристаллической решетки тербия, которые соответствуют изменению топологии ПФ, были получены с точностью до четвертого знака после запятой. Эта информация позволяет пересмотреть теоретические расчеты зонной структуры тербия и выполнить их с большей точностью. Кроме того, по результатам экспериментов под одноосным и гидростатическим давлением была построена магнитокристаллическая фазовая диаграмма тербия в линейном приближении. Найдена тройная линия, разделяющая две области с различными топологиями ПФ. Этот результат несет новую информацию о зонной структуре тербия и позволяет провести качественное сравнение с результатами теоретических расчетов зонной структуры.

Таким образом мы получили независимое экспериментальное подтверждение в пользу гипотезы нестинга магнитных структур в тяжелых РЗМ. По-видимому подход к описанию магнитного поведения тяжелых РЗМ с позиций нестинга поверхности Ферми является наиболее продуктивным и, в совокупности с традиционным подходом, позволяет построить наиболее адекватную модель магнетизма этих металлов. Особенно это касается таких сильно напряженных систем как пленки РЗМ, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии между слоями немагнитного металла (иттрия, скандия, лютеция), и сверхрешеток.

Коротко основные результаты настоящей работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. В результате исследования магнитного поведения тербия под одноосным и гидростатическим давлением обнаружено увеличение температурного интервала, в котором существует антиферромагнитный геликоид, с увеличением давления. Температура Нееля зависит от давления линейно с производной с1Гн/ф=-1.23 К/кбар для одноосного сжатия и с производной d7Vdp=-1.05 К/кбар для гидростатического давления. Зависимость температуры ферромагнитного перехода оказалась существенно нелинейной по давлению (особенно отчетливо это видно в случае одноосного сжатия). В результате температурный интервал, в котором существует антиферромагнитный геликоид, описывается корневой зависимостью АТ (р)сс (р*-р)ту что согласно гипотезе о нестинге магнитных структур, является характерным поведением металла вблизи ЭТП.

2. Обнаружено, что влияние одноосного давления на температурный интервал существования антиферромагнитного геликоида АТ в несколько раз больше, чем влияние гидростатического давления. Это является качественным подтверждением предположения о решающей роли отношения констант решетки с/а, а следовательно формы ПФ, в определении магнитных свойств тербия.

3. В линейном приближении получена магнитокристаллическия фазовая диаграмма тербия, построена тройная линия, в которой встречаются парамагнитная, антиферромагнитная и ферромагнитная фазы, предположительно разделяющая две.

87 области с различными топологиями ПФ. Этот результат несет новую информацию о зонной структуре тербия.

4. Обнаружена упругая аномалия в тербии при одноосном растяжении при комнатной температуре. Критическое значение механического напряжения, соответствующее аномалии, составляет 650 бар, что примерно равно значению механического напряжения, при котором в работе [70] наблюдалось полное подавление антиферромагнитного геликоида в том же самом образце тербия при одноосном растяжении (680 бар). Мы связываем оба эти явления с ЭТП, вызванным одноосной деформацией образца. С точностью до четвертого знака после запятой получены критические значения параметров решетки и их отношения, соответствующие точке ЭТП: а=3.6040±-0.0005 А, с=5.700±-0.001 А, с/а=1.5818±0.0003. Таким образом было получено независимое подтверждение в пользу гипотезы нестинга магнитных структур в тяжелых РЗМ.

5. Обнаружена аномалия термо-ЭДС в тербии при одноосном растяжении при комнатной температуре, связываемая с ЭТП. Критическое значение механического напряжения, соответствующее изменению топологии ПФ, составляет порядка 700 бар.

6. Обнаружено увеличение температурного интервала, в котором существует антиферромагнитный геликоид, в твердом растворе Tb92Gdos при одноосном сжатии. Такое поведение является характерным для всех тяжелых РЗМ и их твердых растворов. Твердый раствор TbssGd^ показал магнитное поведение подобное чистому гадолинию и в нем не было обнаружено изменение магнитного поведения вплоть до давления 1500 бар.

7. По результатам исследования магнитных свойств твердых растворов семейства Yx Gdi-x под гидростатическим давлением построена магнитная фазовая диаграмма в координатах «температура-давление». Обнаружено, что в твердых растворах гадолиний-иттрий гидростатическое давление стабилизирует геликоидальную антиферромагнитную фазу за счет обеих ферромагнитных фаз. В образце Y3oGd7o, в котором при атмосферном давлении не наблюдалось антиферромагнитной фазы, эта фаза появилась при давлениях > 15 кбар. Таким образом в этом образце была обнаружена магнитная тройная точка.

8. В результате исследования магнитных свойств твердого раствора Ho^Gdeo под гидростатическим давлением и сравнения этих результатов с результатами, полученными в работе [77] при одноосном сжатии на этом же образце, было обнаружено, что влияние гидростатического давления на температурный интервал, в котором существует геликоидальная антиферромагнитная структура в твердом растворе Ho^Gd^o много меньше, чем влияние одноосного давления, что качественно повторяет поведение тербия под одноосным и гидростатическим давлением. Это объясняется тем, что именно анизотропная одноосная деформация, при которой гораздо в большей степени, чем при изотропном сжатии, изменяется отношение констант гексагональной решетки с/а, влияет на форму ПФ, а следовательно и на магнитные свойства тяжелых РЗМ.

6.

Заключение

.

Тяжелые редкоземельные металлы и их сплавы представляют собой особый класс магнетиков, спиновые структуры которых оказываются намного более сложными, чем структуры классических ферромагнитных и антиферромагнитных веществ. Магнитные свойства РЗМ и их сплавов обусловлены спецификой электронной структуры ионов редких земель и особенностями энергетического спектра электронов проводимости, поэтому физику редкоземельных магнетиков можно выделить как отдельную область физики магнетизма, имеющую большое теоретическое и прикладное значение.

Из сказанного выше становится понятно, что для построения модели, адекватно описывающей магнетизм тяжелых редкоземельных металлов, необходимо комплексное исследование магнитных, упругих, и транспортных свойств этих материалов. Эксперименты с использованием различных методов деформации кристаллических решеток, таких как одноосное, гидростатическое давление или эксперименты на эпитаксиальных пленках и сверхрешетках также дают важную информацию о магнитном поведении тяжелых РЗМ.

Наши исследования показали, что электронный топологический переход в тербии легко наблюдается при комнатной температуре. Это указывает на возможность исследования ЭТП различными методами: акустическими, гальваномагнитными, методом аннигиляции позитронов.

Мы надеемся, что наша работа послужит стимулом новым экспериментальным и теоретическим исследованиям, включающим в себя одновременное и согласованное изучение магнитных, проводящих и упругих свойств тяжелых РЗМ и поможет выявить закономерности, объясняющие магнитное поведение целого ряда элементов периодической таблицы Менделеева.

В заключение я хочу выразить благодарность тем людям, без участия которых не состоялась бы эта работа.

Благодарю моего непосредственного научного руководителя Андрея Владимировича Андрианова за интереснейшую тему исследований, предложенную для моей диссертационной работы, за все то, чему он научил меня в ходе нашей совместной работы, за внимание и неизменную моральную поддержку.

Благодарю моего научного руководителя Александра Николаевича Васильева за помощь в работе, полезные дискуссии и за благоприятствующую продуктивной научной работе атмосферу, которую он создал на кафедре, будучи ее заведующим.

Благодарю Олега Дмитриевича Чистякова (Институт Металлургии и Материаловедения им. А. А. Байкова) за предоставленные материалы для образцов.

Благодарю проф. Эрнста Бауэра (Венский Технический Университет) за оказанный мне теплый прием и интереснейшую совместную работу.

Благодарю А. С. Маркосяна (Проблемная Магнитная Лаборатория) за помощь в эксперименте по рентгеновской дифракции.

Благодарю И. В. Телегину за рентгеновское исследование образцов.

Благодарю Р. 3. Левитина за полезные дискуссии, сотрудников кафедры Нину Петровну Данилову и Юрия Павловича Гайдукова за интересные беседы и моральную поддержку, а также весь коллектив Кафедры Физики Низких Температур и Сверхпроводимости за теплую атмосферу и доброжелательное отношение.

Благодарю Факультет Наук о Материалах и его администрацию за приятное и плодотворное сотрудничество во время моего обучения в аспирантуре.

7. Список публикаций.

1. А. VI. Andrianov and О. A. Savel’eva. «Elastic anomaly in Tb under uniaxial tension: Evidence of the change in the Fermi surface topology responsible for the magnetic ordering type». Phys. Rev. В 67,12 405 (2003).

2. О. А. Савельева. «Упругая аномалия в монокристалле тербия при одноосном растяжении». Тезисы докладов секции «Материаловедение» международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», Москва, Россия, 412 апреля 2002 г., вып 8, стр. 446.

3. О. А. Савельева, А. В. Андрианов. «Аномалия термоэдс в монокристалле тербия под действием одноосной деформации». Тезисы докладов секции «Материаловедение» международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», Москва, Россия, 15−18 апреля 2003 г., часть 2, стр. 417.

4. А. VI. Andrianov, О. A. Savel’eva, S. Gabani, Е. Bauer. «Magnetic phase diagram of Yx Gdi-x under hydrostatic pressure». Abstracts of International Conference on Magnetism, Roma, Italy, July 27 — August 1 2003,4U-am-15, p. 438.

5. A. VI. Andrianov, O. A. Savel’eva, Ch. Paul, E. Bauer. «Pressure-induced helical antiferromagnetism in ferromagnetic Ho^Gdeo». Abstracts of International Conference on Magnetism, Roma, Italy, July 27 — August 1 2003,4U-am-20, p. 439.