ОБ ЭФФЕКТАХ УПОРЯДОЧЕНИЯ ПАР ИОНОВ ИТТЕРБИЯ В

Структура и динамика молекулярных систем, 2003г., Выпуск X, Часть 3, Стр. 168-170
ОБ ЭФФЕКТАХ УПОРЯДОЧЕНИЯ ПАР ИОНОВ ИТТЕРБИЯ В YbB121
Альтшулер Т.С.1, Горюнов Ю.В.1, Джеуэлл О.В.2, Ига Ф.3,
1
Физико-технический институт им. Е.К. Завойского, 420 029 Казань, Россия
Государственный энергетический университет, кафедра ДПМ, 420066
Казань, Россия
3
ADSM and MaRCH, Hiroshima University, 2-3-1 Kagamiyama, Higashi-Hiroshima,
739-8526 Japan
2
Додекаборид иттербия YbB12 относится к классу Кондо- изоляторов [см.
например,1-2]. Валентность иттербия флуктуирует между состояниями Yb2+ (4f14)
and Yb3+ (4f13) с частотой 1013 - 1014 и средняя валентность ионов иттербия равна
2.9. Это означает, что электрон 10% времени находится на f –уровне и 90%- в зоне
проводимости.
Додекабориды редких земель RB12 имеют кубическую гранецентрированную
решетку типа NaCl, причем металл занимает положение натрия, а в положении
хлора находится кубический октаэдрон из 12 атомов бора. Мультиплет Yb3+ (4f 13, 8
F 7/2 ) расщепляется кристаллическим полем кубической симметрии на дублет Г6 ,
квартет Г8 и дублет Г7. Тогда основным состоянием в RB12 может быть крамерсов
дублет Г6 или Г7 , и сигнал ЭПР может наблюдаться на любом из них. Однако
YbB12 является соединением с флуктуирующей валентностью, причем частота
флуктуации валентности выше (1013 - 10 14 гц) частоты ЭПР –спектрометра (Xдиапазон –1010 гц) и поэтому сигнал ЭПР на флуктуирующих ионах иттербия
невозможен.
Между тем, в диапазоне температур 1.6 - 4.2К наблюдался сигнал ЭПР на
ионах иттербия в YbB12. Измерения проводились на монокристалле , выращенном
зонной плавкой, на частоте 1010 гц.
При 4.2К спектр состоял из 2 линий , между которыми наблюдается еще один
, менее интенсивный пик (рис.1). Расстояние между пиками не превышает 100
эрстед, ширина линий ЭПР такого же порядка δH ≅ 80э, g-фактор центральной
линии 2.57, что близко к g = 2.59 для дублета Г6 иона Yb3+. Среднее значение gфактора 2-х крайних линий равно 2.55 , что также близко к g = 2.58 для дублета Г6 .
С понижением температуры до 1.6К интенсивность этих линий возросла более чем
на порядок.
Сравнение с сигналами ЭПР ионов Gd, Er известных концентраций в
порошках YbB12 показала, что концентрация ионов Yb3+ не менее 0.3 %. Этот факт
и значение g-фактора являются доказательством того, что мы видим спектр ЭПР
именно от ионов иттербия Yb3+. Стабилизация валентности части ионов иттербия
происходит из-за зарядовой компенсации вблизи вакансий и дефектов [3].
Центральный пик от дублета Г6 не зависел, как и следовало ожидать, от угла
между направлением магнитного поля и кубической осью при повороте
магнитного поля в плоскости (110). Интенсивные, симметрично расположенные от
центрального пика линии меняют свое положение при вращении образца в
плоскости (110), сливаясь при300 и 900 . Однако среднее значение g-фактора этих 2
1
Работа поддержана грантом РФФИ, проект № 03-02-17453
169
Об эффектах упорядочения пар ионов иттербия в YbB12
Y bB
12
dP/dH , отн.единицы
4 .2 K
x20
3 .0 K
x5
1 .6 K
2200
2400
2600
2800
3000
H , Э
0
Рис.1. Спектр ЭПР ионов Yb3+ в монокристалле YbB12 в
плоскости (001) при φ =00 между направлением магнитного
поля и осью четвертого порядка .Интенсивность спектра ЭПР
при Т=4.2К в 20, а при Т=3.0К в 5 раз увеличена по сравнению
с интенсивностью спектра при Т=1.6К. Крайние интенсивные
линии - от пар ионов Yb3+.
линий не меняется и равно 2.55. Такое поведение непосредственно указывает на
наличие двух одинаковых, взаимодействующих осцилляторов. Эта ситуация
хорошо известна в теории ЭПР: она отвечает паре одинаковых ионов, обменно
взаимодействующих друг с другом [4]. Угловая зависимость этих линий хорошо
описывается спин - гамильтонианом для пар спинов Yb3+, связанных между собой
обменным взаимодействием:
GG G G
H =gβHzTz + (1/2)ℑ{T(T+1) − 3/2}+ a 3T1zT2 z − T1T2 T2 H
(
)( )
G G G
где T = S1 + S 2 - общий спин пары, Tz – z-проекция общего спина пары. Она
подробно рассматривается в статье [5].
Насколько нам известно, обменные пары на ионах Yb3+ наблюдались только в
соединении CsCdBr3[6]. Однако, в отличие от CsCdBr3, где пары описываются
анизотропным поведением D6h4 кристалла, в нашем случае они находятся в
кубическом Oh кристалле. Вопрос о возникновении пар в кристалле с высокой
симметрией требует дальнейших исследований.
При температуры 4.2К наблюдались, как мы видим из рис.1, три линии от
ионовYb3+: центральная - от одиночного дублета Г6 и 2 интенсивные линии- от
пары ионов. С понижением температуры g-фактор центральной линии не меняется,
крайние же линии ползут в сторону слабых полей, закрывая центральную линию
( рис.2). В таком же примерно процентном соотношении изменяется ширина линий
170
Альтшулер Т.С. и др.
2,70
125
∆H , Э
2,65
2,60
100
g-фактор
75
2,55
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
T, K
2,50
2,45
2,40
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
T,K
Рис.2. Температурная зависимость g-фактора пар ионовYb3+ в
монокристалле YbB12
в плоскости (001) при φ =00. Вставка:
температурная зависимость ширины линии δH для линий пары при φ
=00 (черные кружки) и для слившихся при φ=900и 300 двух линий пар
(белые кружки).
( см. вставку рис.2). Во вставке приведены ширины линий пары, когда они
максимально раздвинуты ( черные кружки) и когда они слиты в одну при углах 30
и 90 градусах. Такое повышение g-фактора и сужение ширины линии при
понижении температуры характерно для ферромагнитного упорядочения системы.
По-видимому, одиночные ионы Yb3+ расположены далеко друг от друга и от пар
ионов иттербия и поэтому на них не действуют никакое дополнительное
намагничивание.
Пары ионов иттербия находятся близко друг от друга, и сильное обменное
взаимодействие возникает не только внутри пары, но и между парами также, что и
приводит к ферромагнитному упорядочению. Возможно, что вблизи дефектов и
вакансий возникают кластеры из обменно-связанных между собой пар ионов
иттербия со стабилизированной валентностью.
Литература:
1. T. Suzaki, Y. Takeda, M. Arita et al., Phys. Rev. Lett., 82, 992 (1999).
2. K. Ikushima, Y. Kato, M. Takigawa et al., Physica B, 281-282, 274 (2000).
3. Т.С. Альтшулер, М.С. Бреслер, Ю.В. Горюнов, Ф. Ига, Т. Такабатаке, ФТТ, 44,
вып.8, 1469 (2002).
4. A.Aбрагам, Б.Блини. Электронный парамагнитный резонанс ионов переходных
металлов., Мир, М., гл.9.5, (1973).
5. T.S. Altshuler, M.S. Bresler, Yu.V. Goryunov F. Iga and T. Takabatake Phys.Rev., в
печати, (2003).
6. B.Z.Malkin, A.M.Leushin , A.I.Iskhakova, J.Heber, M.Altwein, K.Moller,
I.I.Fazlizhanov and V.A.Ulanov, Phys.Rev. B, 62, № 11, 7063, (2000).