ИССЛЕДОВАНИЕ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МАНГАНИТОВ И МАНГАНАТОВ С ПОМОЩЬЮ

ИССЛЕДОВАНИЕ
РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ
МАНГАНИТОВ И МАНГАНАТОВ
С ПОМОЩЬЮ SR-МЕТОДА
С.И. Воробьев
Метод исследований:
Основа метода:
µSR
угловая асимметрия е+ относительно μ+ из
распада +e++νе+νμ.
В эксперименте: продольно поляризованные + останавливаются в исследуемом образце.
Измеряются:
Ne  1  ne (t )dt
N
Относительный выход е+:
и временное распределение е+ относительно момента остановки μ+:
t
t
ne (t )  n0  e  (1  a  G(t ))
a ≈ 1/3 – коэффициент асимметрии;
tµ ≈ 2,19711·10-6 с.
Из экспериментальных данных определяется:
G(t) – функция релаксации спина μ+-мюона во внешнем магнитном поле Нвнеш
или локальных магнитных полях образца (λ, Н, Δ)
Несколько примеров аналитического вида функции G(t):

Gd  e (  t ) ,
а) Gst  с os(   H  t ),
  2  фазовый переход;
G (t )  Gd  Gst
H  S   внешнее магнитное поле;

1 2
б ) Gst    с os(   H  t )  e
3 3
1 2
в) Gst    (1  (     t )  e
3 3
(   t )
2

,   1 или 2  коллинеарный магнетик;
(   t )
2
 спиновое стекло;
Физические параметры μ-канала:
•
•




интенсивность ≤ 105 с-1;
Pμ+ = 70 ÷ 130 МэВ/с;
продольная поляризация мюонов 95%;
максимальный размер пучка Ø 40 мм;
размер исследуемых образцов Ø20 ÷ 50 мм;
с толщиной по пучку
4 ÷ 10 г/см2.
Pμ+ = 70 ÷ 130 МэВ/с
Криостат
КГ
К
КК
Фотография
μSR-установки
Ф1
Ф2
µ-канал
Особенности μSR-установки:
C4
C3
C2 C1
ФЭУ
Рис. Установка для µSR-экспериментов. (КГ –
кольца Гельмгольца; КК – компенсирующие
катушки; К – коллиматор; Ф1 и Ф2 – фильтры 1 и 2;
ФЭУ – фотоэлектронный умножитель); C1 ÷ C4 –
сцинтилляционные счётчики.
• угловой захват е+ от распада мюонов,
остановившихся в мишени 0,5 стерадиан;
•температурный диапазон 10 ÷ 300 К;
•возможность работы работать во внешних
поперечных магнитных полях до 1,5 кГс;
анализируемый временной интервал с
момента остановки мюона 10 нс ÷ 10 мкс с
точностью 0,8 нс.
ПТЭ, том 50, № 6, 2007, стр. 36 – 42.
Рис. Криостат и размещение образца в криостате для µSR-исследований. 1 и 2 (3 и 4)– входное и
выходное горячие (холодные) окна соответственно; 5 – корпус криостата; 6 – камера криостата из
бериллиевой бронзы; 7 – оправа для крепления образца.
Итак, приведем основные параметры
µSR-установки:
Установка позволяет проводить µSR-исследования на
образцах с поперечными размерами, вписывающимися в
окружность диаметром 2 ÷ 5 см и толщиной по пучку ≥ 4 г/см2
в диапазоне температур 10 ÷ 300 К со стабильностью
температуры в данном интервале ± 0,1 К.
На установке можно проводить исследования как в
нулевом магнитном поле, компенсируя рассеянные поля
кольцами Гельмгольца до уровня  0,05 Гс, так и во внешнем
магнитном поле (поперечном или продольном) в диапазоне
5 Гс ÷ 1,5 кГс.
Однородность внешних магнитных полей в объеме 200 см3 не
хуже 10-4; что позволяет вести измерения при скоростях релаксации
не менее 0,005 мкс-1. Измерения на меди показали, что скорость
релаксации спинов мюонов λ составляет 0,0053(31) мкс-1, что
приемлемо для µSR-исследований.
Настоящая работа посвящена исследованию локальных магнитных полей
и их распределения в мультиферроиках RMnO3 и RMn2O5 с помощью
мюонного метода исследования вещества (SR-метод).
В последние годы интересны
материалы, в которых
сосуществуют магнитное и
электрическое упорядочения.
Применение: для сенсорной
техники, магнитной памяти и
микроэлектроники, в частности
спинтроники,
Манганиты RMnO3 проявляют большое разнообразие физических свойств в
зависимости от редкоземельного элемента R.
Соединения с большим ионным радиусом элемента R (La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd и
Tb) кристаллизуются в орторомбической структуре с пространственной
группой Pnma.
В соединениях с меньшим ионным радиусом элемента R (Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y,
Sc и In) наблюдается гексагональная кристаллическая структура с
пространственной группой P63cm.
Гексагональные манганиты принадлежат к классу ферроэлектромагнетиков, в
которых температура перехода в ферроэлектрическое состояние
ТС~600–1000 К намного выше температуры антиферромагнитного (АФМ)
упорядочения ТN ~ 70–130 К.
HoMnO3
Известны в литературе два перехода:
1). Слабовыраженный РМ-AFM при
температуре TN;
2). Поляризация спина электронов
проводимости гексагональной структуры
при температуре TSR.
3). В TSR происходит поворот спинов Mn на
900.
Вопрос: каковы внутренние
магнитные поля и что происходит в
этих переходах???
Рис.
Температурная
зависимость
диэлектрической проницаемости ε
для образца HoMnO3
M.Fiebig, D.Fröhlich, K.Kohn et al., Phys.
Rev. Lett. 84, 5620 (2000).
B.Lorenz, A.P.Litvinchuk, M.M.Gospodinov
and C.W.Chu. Phys. Rev. Lett. 92, 087204
(2004).
B. Lorenz, Y.Q. Wang, Y.Y. Sun and C.W. Chu.
Phys. Rev. B 70, 212412 (2004).
HoMnO3 (керамика)
Изготовитель образцов
МИСиС, Москва
два перехода:
1,0
TN
TSR
0,9
0,8
0,7
D, s
-1
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
20
30
40
50
60
70
80
90
T, K
Письма в ЖЭТФ, том 85, вып. 12, 2007, стр. 795-798.
1,0
Htr=0
Htr=279 c
0,9
0,8
0,51
0,48
0,7
0,45
0,6
Ne(norm)
Ne(norm)
(0.006 - 1.1) s
(0.006 - 0.3) s
0,5
0,4
0,3
0,42
0,39
0,36
0,2
0,33
0,1
0,0
0,30
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
T, K
Рис. Интегральный выход
позитронов Ne от распада остановившихся
мюонов в образце HоMnO3
0
10
20
30
40
50
60
70
T, K
Рис.
Интегральный
выход
позитронов
для
разных
интервалов
интегрирования
Детальное изучение функции релаксации поляризации мюонов Gs
позволяет определить параметры распределения локальных магнитных полей
при различных температурах исследуемых образцов.
Так для образца HоMnO3 функцию релаксации поляризации
остановившихся мюонов Gs(t) в нулевом магнитном поле удаётся описать
зависимостью:
Gs(t)=[a1·(1/3+2/3·cos(Ω1·t)·exp(-Δ1·t))+a2·(1/3+2/3·cos(Ω2·t)·exp(-Δ2·t))]·exp(λd·t),
где a1+a2=as – начальная асимметрия распада мюонов, остановившихся в
образце;
λd – скорость динамической релаксации;
Ω1, 2 = 2·π·F1, 2 – циклические частоты (связанные со средним локальным
полем в месте локализации мюона);
Δ 1, 2 – распределение частот, связанный с разбросом внутренних магнитных
полей.
1,0
1,0
0,9
0,9
0,8
0,8
0,7
0,7
0,6
0,6
0,5
0,5
Gs
Gs
На рисунках, для примера, приведены функции релаксации
поляризации Gs(t) для образца HоMnO3 для двух характерных температур
(между первым и вторым фазовыми переходами Т = 50 К и после второго,
спин-ротационного перехода Т = 30 К).
0,4
0,4
0,3
0,3
0,2
0,2
0,1
0,1
0,0
260
280
300
320
340
360
380
400
t, channel
Рис. Функции релаксации поляризации
Gs(t) для образца HоMnO3 в нулевом поле
при температуре 50 К; a1=0,173(9);
a2=0,099(9); F1= 58(1) МГц; Δ1= 48(7) MГц;
F2=0 MГц; Δ2=37(7) MГц.
По
горизонтальной шкале (время t) один
канал соответствует 0,8 нс, ноль времени
находится в 256 канале.
0,0
260
280
300
320
340
360
380
400
t, channel
Рис. Функции релаксации поляризации
Gs(t) для образца HоMnO3 в нулевом поле
при температуре 30 К; a1=0,100(26);
a2=0,172(26); F1=75(4) МГц; Δ1=24(2) MГц;
F2=40(1)
MГц;
Δ2=63(6)
MГц.
По
горизонтальной шкале (время t) один
канал соответствует 0,8 нс, ноль времени
находится в 256 канале.
80
70
a1; a2
60
F, MHz
50
40
30
20
10
0
20
30
40
50
60
70
80
T, K
Рис.
Поведение
частот
наблюдаемой
прецессии F от температуры образца HоMnO3 в
нулевом поле. Звездочки – F1, круглые точки –
F2.
0,26
0,24
0,22
0,20
0,18
0,16
0,14
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
20
30
40
50
60
70
80
T, K
Рис.
Зависимость
асимметрии
от
температуры образца HоMnO3 в нулевом
поле. Линии нанесены для наглядности
поведения зависимости Звездочки – а1,
круглые точки – а2, где а1+а2=аs.
Рис. Температурная зависимость интегральной интенсивности
нейтронов.
(1;2), MHz
На рисунке демонстрируется поведение параметров Δ1 и Δ2 (распределение частот) в
диапазоне температур 20 К – 70 К.
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
20


30
40
50
T, K
60
70
Для образца HоMnO3 зависимость частоты прецессии от температуры
хорошо аппроксимируется при помощи кривой Кюри-Вейса:
F~Fmax·(1-T/T0)β с показателем β=0.39±0.02, что соответствует модели 3Dмагнетика Гейзенберговского типа.
100
90
70
HoMnO3; H = 0
HoMnO3; H = 0
0.39
0.39
F1=92*(1-T/TN)
60
F2=59*(1-T/TSR)
80
50
60
F2, MHz
F1, MHz
70
50
40
30
20
40
30
20
10
10
0
0
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
T/TN (TN = 74 K)
T/TSR (TSR = 42 K)
H, kGs
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
20
HoMnO3
30
40
50
H1
H2
60
70
T, K
Зависимость внутренних магнитных полей
от температуры для образца HоMnO3.
80
YMnO3 (керамика)
TN
2,5
один переход,
но в районе 50
неоднородность.
2,0
0,035
К
видим
0,030
0,025
, s
-1
, s
-1
1,5
?
1,0
0,020
0,015
0,010
0,005
0,000
20
30
40
50
60
70
T, K
0,5
0,0
0
20
40
60
80
100
120
140
T, K
Рис. Скорость релаксации поляризации мюонов,
остановившихся в образце YMnO3 в нулевом магнитном
поле.
Препринт ПИЯФ–2738, Гатчина–2007, 34 стр.
Gs(t)=[a1·(1/3+2/3·cos(Ω1·t)·exp(-Δ1·t))+a2·(1/3+2/3·cos(Ω2·t)·exp(-Δ2·t))]·exp(-λ·t),
две частоты:
90
В районе Т = 50 К видим
неоднородность связанную,
возможно с частичным разворотом
спинов марганца, приводящее к
10% перераспределению долей
частот.
80
70
F (MHz)
60
50
40
30
20
0,24
10
0
0,20
20
30
40
50
60
70
T (K)
0,16
a1; a2
60
50
 (MHz)
40
0,12
0,08
0,04
30
0,00
10
20
20
30
40
50
60
T, K
10
0
10
20
30
40
T (K)
50
60
70
P.J. Brown and T. Chatterji. J. Phys:
Condens. Mater, 18, 10085 (2006).
70
1,0
0,9
0,9
0,8
0,8
0,7
0,7
0,6
0,6
0,5
0,5
Gs(t)
Gs(t)
1,0
0,4
0,4
0,3
0,3
0,2
0,2
0,1
0,1
0,0
300
350
400
450
500
550
600
t, channel
Рис. Функция релаксации поляризации
Gs(t) для образца YMnO3 в нулевом
внешнем
магнитном
поле
при
температуре Т = 60 К, а1=0,223(10);
F1=23,8(4)
МГц;
∆1=40(3)
МГц;
а2=0,041(10); F2 = 49,9(6) МГц; ∆2=17(6)
МГц; 1 канал по временной шкале
соответствует 0,8 нс; ноль времени
находится в 256 канале.
0,0
300
350
400
450
500
550
600
t, channel
Рис. Функция релаксации поляризации
Gs(t) для образца YMnO3 в нулевом
внешнем
магнитном
поле
при
температуре Т = 50 К, а1=0,235(2); F1 =
30,4(5) МГц; ∆1=49(3) МГц; а2=0,029(2); F2 =
63,1(3) МГц; ∆2=9(2) МГц; 1 канал по
временной шкале соответствует 0,8 нс;
ноль времени находится в 256 канале.
1,0
0,9
0,9
0,8
0,8
0,7
0,7
0,6
0,6
0,5
0,5
Gs(t)
Gs(t)
1,0
0,4
0,4
0,3
0,3
0,2
0,2
0,1
0,1
0,0
300
350
400
450
500
550
t, channel
Рис. Функция релаксации поляризации
Gs(t) для образца YMnO3 в нулевом
внешнем
магнитном
поле
при
температуре Т = 30 К, а1=0,1898(66); F1 =
40,8(5) МГц; ∆1=44(3) МГц; а2=0,074(7);
F2= 75,3(1) МГц; ∆2=10(1) МГц; 1 канал
по временной шкале соответствует 0,8
нс; ноль времени находится в 256
канале.
600
0,0
300
350
400
450
500
550
600
t, channel
Рис. Функция релаксации поляризации Gs(t)
для образца YMnO3 в нулевом внешнем
магнитном поле при температуре Т =20 К,
а1=0,189(6); F1= 42,9(4) МГц; ∆1=42(3) МГц;
а2=0,0748(60); F2 = 77,7(1) МГц; ∆2=10(1) МГц;
1 канал по временной шкале соответствует
0,8 нс; ноль времени находится в 256
канале.
Для исследованного образца и YMnO3 зависимость частоты прецессии
от температуры хорошо аппроксимируется при помощи кривой Кюри-Вейса:
F ≈ Fmax·(1 − T/TN)β с показателем β = 0,39 ± 0,02, что соответствует модели 3Dмагнетика Гейзенберговского типа.
60
90
YMnO3
0.37
80
50
F2=87*(1-T/TN)
0.39
F1=52*(1-T/TN)
70
40
60
F2, MHz
F1, MHz
YMnO3
30
20
50
40
30
20
10
10
0
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
T/TN (TN = 66 K)
0
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
T/TN (TN = 66 K)
0,8
2,0
0,035
0,7
1,5
0,6
0,025
-1
 (s )
0,030
0,5
0,020
0,015
0,010
-1
 (s )
-1
 (s )
0,005
0,4
0,3
0,000
1,0
20
30
40
50
60
70
T (K)
0,5
0,2
0,1
0,0
20
30
40
50
60
70
80
90
0,0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
T (K)
T (K)
Рис. Скорость релаксации поляризации мюонов,
остановившихся в образце HoMnO3 в нулевом
магнитном поле
Рис. Скорость релаксации поляризации
мюонов, остановившихся в образце YMnO3
в нулевом магнитном поле
0,26
0,24
0,24
0,22
0,20
0,18
0,16
0,16
0,14
a1; a2
a1; a2
0,20
0,12
0,10
0,12
0,08
0,08
0,06
0,04
0,04
0,02
20
30
40
50
60
70
80
T (K)
Рис. Зависимость асимметрии от температуры
образца HоMnO3 в нулевом поле. Линии нанесены
для
наглядности
поведения
зависимости
Звездочки – а1, круглые точки – а2, где а1+а2=аs.
M.Fiebig, D.Fröhlich, K.Kohn et al., Phys. Rev. Lett. 84, 5620 (2000).
B.Lorenz, A.P.Litvinchuk, M.M.Gospodinov and C.W.Chu. Phys. Rev.
Lett. 92, 087204 (2004).
B. Lorenz, Y.Q. Wang, Y.Y. Sun and C.W. Chu. Phys. Rev. B 70,
212412 (2004).
0,00
10
20
30
40
50
60
70
T (K)
Рис. Зависимость асимметрии от температуры
образца YMnO3 в нулевом поле. Линии
нанесены
для
наглядности
поведения
зависимости. Звездочки – а1, круглые точки –
а2, где а1+а2=аs.
P.J. Brown and T. Chatterji. J. Phys:
Condens. Mater, 18, 10085 (2006).
T. Lancaster, S.J. Blundell, D. Andreika et
al., Phys. Rev. Lett. 98 (2007), 197203(4).
Монокристалл
F (MHz)
Наши
исследования
(керамика)
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
60
Поведение
частот
наблюдаемой
прецессии
F
от
температуры
образца YMnO3 в нулевом поле.
Звездочки – F1, круглые точки – F2.
10
20
30
40
50
60
70
Зависимость Δ1; Δ2 от температуры Т для
образца YMnO3. Звездочки – Δ1, круглые
точки – Δ2.
50
 (MHz)
40
30
20
10
0
10
(a) – зависимость асимметрии от
температуры; (b) – температурная
зависимость частоты прецессии; (c) –
температурная зависимость разброса
частот.
20
30
40
T (K)
50
60
70
Письма в ЖЭТФ, том
85, вып. 12, 2007,
стр. 795-798.
ne
Первые исследования TbMnO3 (керамика)
TbMnO3
0,138
0,136
0,134
0,132
0,130
0,128
0,126
0,124
0,122
0,120
0,118
0,116
0,114
0,112
H=0;
H=280 Gs.
0
40
80
120
160
200
240
280
320
T, K
Первые исследования неудачные!!!
Образец приготовлен не правильно!
Многофазный!
Отправлен на переделку!
Исследования TbMnO3 будут продолжены!
ИССЛЕДОВАНИЕ МАНГАНИТОВ La1-xAxMnO3
La0.82Ca0.18MnO3
5
F, MHz
, s
-1
4
3
2
1
0
0
40
80
120
160
200
240
280
320
T, K
Температурная
зависимость
параметра
λd
динамической функции релаксации для образца
La0.82Ca0.18MnO3 в нулевом внешнем магнитном поле.
1,8
1,6
1,2
F1=68*(1-T/TC)
0.39
F2=123*(1-T/TC)
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0.39
0,9
1,0
Температурная зависимость частот прецессии для образца
La0.82Ca0.18MnO3 в нулевом внешнем магнитном поле.
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,0
La0.85Sr0.15MnO3
0.39
F1=72*(1-T/TC)
0.39
F2=115*(1-T/TC)
F, MHz
, s
-1
1,4
La0.82Ca0.18MnO3
T/TN (TN = 150 K)
La0.85Sr0.15MnO3
2,0
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,0
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0
40
80
120
160
200
240
280
320
T, K
Температурная
зависимость
параметра
λd
динамической функции релаксации для образца
La0.85Sr0.15MnO3 в нулевом внешнем магнитном поле.
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
T/TN (TN = 195 K)
Температурная зависимость частот прецессии для образца
La0.85Sr0.15MnO3 в нулевом внешнем магнитном поле.
Выводы по исследованию манганитов:
1. Продемонстрирована высокая эффективность μSR-метода при
изучении манганитов. Было показано, что все образцы являются 3Dмагнетиками Гейзенберговского типа, т.к. температурная зависимость
частоты прецессии хорошо аппроксимируется кривой Кюри-Вейса.
2. С помощью μSR-метода было показано, что образец HоMnO3 при
температуре TN = 74 К испытывает переход из парамагнитного в
антиферромагнитное состояние (Р → АФМ).
3. Доказано, что при температуре TSR = 42 К (HоMnO3) имеет место спинротационный переход (SR), т.е. спины марганца при этой температуре
испытывают поворот на 900.
4. Показано, что во всех манганитах существуют две частоты, причем
вторая частота примерно в два раза выше, чем первая.
5. С помощью μSR-метода было определено, что в образце YMnO3 при
температуре ТN = 66 К происходит фазовый переход парамагнетик–
антиферромагнетик.
6. Были обнаружены для манганита YMnO3 особенности вблизи
температуры ~ 50 К, что может соответствовать частичному повороту
спинов ионов марганца или малой доли орторомбической фазы в
гексагональном образце.
Манганаты RMn2O5 (R– редкоземельные ионы от Pr до Lu, Y или Bi) являются
магнитоэлектриками, обладающими одновременно антиферромагнитным и
ферроэлектрическим дальним порядком с близкими температурами Нееля и
Кюри ТN,С ~30 – 40 К (при комнатной температуре с пространственной группой
Pbam).
В большинстве своем манганиты RMn2O5 имеют три магнитные подсистемы
(R3+; Mn3+ и Mn4+).
0,45
a)
TN
0,40
0,35
EuMn2O5
TFE1
-1
d (s )
0,30
0,25
0,20
В литературе имеются все
три перехода, но слабо
изучена магнитное
состояние.
TFE2
0,15
0,10
0,05
0,00
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100 110
T (K)
Однозначно видны два перехода
и имеется намёк на третий!
TN
0,45
b)
0,40
0,35
-1
d (s )
0,30
TFE1
0,25
0,20
0,15
TFE2
Изготовитель образцов
ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН
(Санкт-Петербург, Шувалово)
0,10
0,05
0,00
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100 110
T (K)
Рис. Температурная зависимость динамической
релаксации поляризации мюонов (а – для образца из
монокристаллов; b – для керамики); стрелками отмечены
аномалии, обсуждаемые в тексте.
EuMn2O5
монокристалл
керамика
0,120
0,136
0,116
0,132
H=0 Gs
H=280 Gs
0,128
0,112
0,124
0,108
0,120
ne
ne
H=0 Gs
H=280 Gs
0,104
0,116
0,112
0,100
0,108
0,096
0,104
0
20
40
60
80
T, K
100
120
140
0
20
40
60
80
T, K
100
120
140
Монокристаллы-(темные точки);
Керамика (светлые точки);
1,1
1,0
0,9
0,8
as/a0
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
перераспределение зарядовой плотности
деполяризации мюонов из-за образования
мюония в диэлектрическом слое (25 – 30%)
0,2
0,1
0,0
0
20
40
60
80
T (K)
100
120
140
Керамика EuMn2O5
1,1
1,0
0,9
Образец из керамики
Наблюдается гистерезис
изменения зарядовой
плотности при T < TN
0,8
as/a0
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0
20
40
60
T (K)
80
100
Образец из монокристаллов
Наблюдается эффект «памяти»
о воздействии внешнего магнитного поля
0,10
a0/3
T=20 K;
H=0 Gs
0,09
0,08
0,07
T=30 K;
H=280 Gs
0,05
0,04
0,03
0,02
внешнее магнитное поле приводит к
дополнительному перераспределению
зарядовой плотности в образцах
T=30 K;
H=0 Gs
0,01
0,00
T=25 K;
H=0 Gs
T=30 K;
H=0 Gs
0
5
10
15
20
Образец из керамики
эффект «памяти» не наблюдается
0,09
25
t (hour)
0,08
T=22 K;
H=0 Gs
T=23 K;
H=0 Gs
T=25 K;
H=0 Gs
0,07
a0/3
0,06
0,05
as
as
0,06
T=25 K;
H=280 Gs
0,04
0,03
0,02
0,01
0,00
0
2
4
6
8
10
12
t (hour)
14
16
18
20
0,18
90
0,16
80
0,14
70
0,12
60
0,10
50
a1, 2
F (MHz)
100
40
0,08
30
0,06
20
0,04
10
0
10
0,02
15
20
25
30
35
40
0,00
10
T (K)
Рис. Температурные зависимости частот прецессии F1
(светлые точки) и F2 (темные точки) мюона во внутреннем
магнитном поле образца из монокристаллов (соответствуют
закону Кюри-Вейса: F1=39·(1-T/TN)0,39 и F2=109·(1-T/TN)0,39).
15
20
25
30
35
40
T (K)
Рис. Температурные зависимости парциальных вкладов а1 (светлые
точки) и а2 (темные точки) в полную асимметрию в области ниже
температуры Нееля TN = 40 К (образец из монокристаллов).
0,18
80
0,16
70
0,14
60
0,12
0,10
a1, 2
F (MHz)
50
40
0,08
30
0,06
20
0,04
10
0,02
0
10
15
20
25
30
35
40
T (K)
Рис. Температурные зависимости частот прецессии F1 (светлые
точки) и F2 (темные точки) мюона во внутреннем магнитном поле
образца из керамики.
0,00
10
15
20
25
30
35
40
T (K)
Рис. Температурные зависимости
парциальных вкладов а1
(светлые точки) и а2 (темные точки) в полную асимметрию в
области ниже температуры Нееля TN = 40 К (образец из керамики).
EuMn2O5 -монокристалл
110
0.39
F1=38*(1-T/TN)
100
90
F2=102*(1-T/TN)
0.39
80
F, MHz
70
60
50
40
30
20
10
0
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1
T/TN (TN = 40 K)
Выводы:
Таким образом, изучение мультиферроика EuMn2O5 SR-методом еще раз
продемонстрировало эффективность этого метода при исследовании магнитных
материалов.
Исследования с помощью μSR-метода двух типов образцов EuMn2O5 (из монокристаллов
и керамики) обнаружили ряд интересных особенностей данного соединения:
1. В обоих образцах при температурах T < TN, по-видимому, происходит локальное
изменение зарядовой плотности, что проявляется в дополнительной деполяризации
мюонов.
2. Внешнее магнитное поле, приложенное к исследуемым образцам при T < TN, также
приводит к потере поляризации. По-видимому, внешнее магнитное поле приводит к
дополнительному перераспределению зарядовой плотности в образцах.
3. В исследованных образцах имеет место эффект «памяти» о воздействии на них
внешнего магнитного поля. Время релаксации этой «памяти» зависит от размеров
структурных единиц (монокристаллов и зёрен керамики).
4. Фазовые переходы, наблюдаемые при температурах T < TN, не проявляются в
распределении внутренних локальных магнитных полей. Они видны только в
температурной зависимости динамической скорости релаксации λd(Т).
5. Перераспределение электронной плотности происходит в точке фазового перехода при
температуре ТN. Возможно, механизм мультиферроичности связан именно с этим явлением.
Eu0.8Ce0.2Mn2O5 (керамика)
0,35
0,30
0,25
?
-1
0,20
, s
0,20
-1
Eu0.8Ce0.2Mn2O5
0,30
0,25
, s
TN
0,35
Eu0.8Ce0.2Mn2O5
0,15
TFE
0,15
0,10
0,10
0,05
0,05
0,00
0,00
0
50
100
150
200
250
0
300
20
30
40
50
60
70
80
90
100
T, K
T, K
H=0 Gs
H=140 Gs
0,132
10
1,1
0,128
EuMn2O5 - monocristal; H=0 Gs;
EuMn2O5 - ceramika;
H=0 Gs;
Eu0.8Ce0.2Mn2O5-ceramika; H=0 Gs.
1,0
0,9
T=288 K
0,124
0,8
0,7
as/a0
ne
0,120
0,116
0,112
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,108
0,1
0,104
0,0
0
10
20
30
40
50
T, K
60
70
80
90
100
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
T, K
Перераспределение зарядовой плотности наблюдается и в других
образцах, в частности, в GdMn2O5.
1,1
1,0
0,9
Eu0.8Ce0.2Mn2O5-(ceram) 140 Oe;
EuMn2O5(mono) 280 Oe;
EuMn2O5(ceram) 280 Oe;
GdMn2O5(mono) 140 Oe;
GdMn2O5(ceram) 280 Oe;
Eu0.8Ce0.2Mn2O5-(ceram) H=0;
EuMn2O5(ceram) H=0.
0,8
0,7
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
Невозможно исследовать нейтронами!
0,0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
GdMn2O5 (monocristal)
1,1
T (K)
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
a/as
a/as
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0
10
20
30
40
50
60
T (K)
70
Исследование манганатов планируется закончить в 2010 году.
80
90
100 110
Керамика
Mn
T
2,2
2,2
2,0
2,0
1,8
1,8
1,2
1,0
0,8
0,6
1,6
1,4
-1
T=22.5 K
TC=30 K
, s
-1
=40 K
2,4
1,4
Gd
T
Монокристалл
N
2,4
1,6
, s
GdMn2O5
=15 K
N
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2
0,0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
T, K
0,0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
T, K
GdMn2O5
Керамика
1,1
1,1
1,0
1,0
0,9
0,9
0,8
0,8
0,7
0,7
0,6
0,6
0,5
0,5
P
P
Монокристалл
0,4
0,4
0,3
0,3
0,2
0,2
0,1
0,1
0,0
0,0
10
20
30
40
50
T, K
60
70
80
0
10
20
30
40
50
60
70
80
T, K
В 2010 г. более
детальное изучение
магнитной структуры
90
Список публикаций:
1.
С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, В.П. Коптев, С.А. Котов, С.М. Микиртычьянц, Г.В. Щербаков. µSRустановка на мюонном пучке синхроциклотрона ПИЯФ РАН. Препринт ПИЯФ–2694,
Гатчина–2006, 17 стр.
2.
С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, В.П. Коптев, С.А. Котов, С.М. Микиртычьянц, Г.В. Щербаков. µSRустановка на мюонном пучке синхроциклотрона ПИЯФ РАН. ПТЭ, том 50, № 6, 2007, стр.
36–42.
3.
C.Г. Барсов, С.И. Воробьев, В.П. Коптев, Е.Н. Комаров, С.А. Котов, С.М. Микиртычьянц, Г.В.
Щербаков. Исследование магнитных фазовых переходов и распределения локальных
магнитных полей SR-методом. В сборнике: «Основные результаты научных
исследований ПИЯФ РАН в 2005 – 2006 годах». ПИЯФ РАН, Гатчина, 2007, стр. 122–
123.
4.
С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, В.П. Коптев, Е.Н. Комаров, С.А. Котов, С.М. Микиртычьянц, Г.В.
Щербаков, А.Е. Пестун, Я.М. Муковский. Исследование гексагональных манганитов HoMnO3 и
YMnO3 с помощью мюонного метода. Письма в ЖЭТФ, том 85, вып. 12, 2007, стр. 795-
798.
5.
С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, Е.Н. Комаров, В.П. Коптев, С.А. Котов, С.М. Микиртычьянц, Г.В.
Щербаков. Исследование магнитных фазовых переходов и распределений локальных
магнитных полей в манганитах редкоземельных металлов μSR-методом. Препринт
ПИЯФ–2738, Гатчина–2007, 34 стр.
6.
S.G. Barsov, S.I. Vorobyev, V.P. Koptev, E.N. Komarov, S.A. Kotov, S.M. Mikirtychyans, and G.V.
Shcherbakov. µSR-investigations at PNPI. В сборнике ОФВЭ «HEPD: Main scientific activity
2002–2006». pp. 233−240, Гатчина – 2007.
7.
С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, Е.И. Головенчиц, А.А. Дзюба, Е.Н. Комаров, В.П. Коптев, С.А. Котов,
В.А. Санина, Г.В. Щербаков. Исследование мультиферроиков RMn2O5 с помощью μSR-метода.
Фазовые переходы, упорядоченные состояния и новые материалы, № 8, 2009.
http://www.ptosnm.ru/catalog/s/46.
8.
С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, Е.И. Головенчиц, А.А. Дзюба, Е.Н. Комаров, В.П. Коптев, С.А. Котов,
В.А. Санина, Г.В. Щербаков Исследование манганита EuMn2O5 с помощью μSR-метода.
Сообщение ПИЯФ – 2826, Гатчина – 2009, 18 стр.
9.
С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, Е.И. Головенчиц, А.А. Дзюба, Е.Н. Комаров, В.П. Коптев, С.А. Котов,
В.А. Санина, Г.В. Щербаков. Исследование редкоземельных манганитов и манганатов с
помощью μSR-метода. Известия РАН. Серия физическая, т. 74, вып. 5, 2010.
Выступления на конференциях:
1. С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, Е.Н. Комаров, В.П. Коптев, С.А. Котов, С.М. Микиртычьянц, Г.В. Щербаков. Исследование магнитных фазовых переходов
и распределения локальных магнитных полей в мультиферроиках HoMnO3 и YMnO3 с помощью мюонного метода исследования вещества (µSR-метод).
Первый международный, междисциплинарный симпозиум «Среды со структурным и магнитным упорядочением»
(MULTIFERROICS-2007). – Ростов-на-Дону, п. Лоо, 5-10 сентября 2007 г.: Труды симпозиума. – Ростов-на-Дону: ИПО ПИ ЮФУ, 2007. стр. 72 – 75.
2. С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, Е.Н. Комаров, В.П. Коптев, С.А. Котов, С.М. Микиртычьянц, Г.В. Щербаков. Применение мюонного метода (µSR-метода)
для исследования магнитных свойств вещества. Первый международный, междисциплинарный симпозиум «Среды со структурным и
магнитным упорядочением» (MULTIFERROICS-2007). – Ростов-на-Дону, п. Лоо, 5-10 сентября 2007 г.: Труды симпозиума. – Ростов-на-Дону:
ИПО ПИ ЮФУ, 2007. стр. 76 – 79.
3. С.И. Воробьев, В.П. Коптев, Е.Н. Комаров, С.А. Котов, Г.В. Щербаков. Исследование редкоземельных манганитов с помощью μSR-метода.
НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ−2008. Сборник научных трудов. В 15 томах. Т. 4. Молекулярно-селективные и нелинейные явления и процессы.
Химическая физика, горение и детонация. Физика, химия и компьютерная разработка материалов. Прикладная ядерная физика. М.: МИФИ, 2008. Стр.
118−119.
4. С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, Е.И. Головенчиц, А.А. Дзюба, Е.Н. Комаров, В.П. Коптев, С.А. Котов, В.А. Санина, Г.В. Щербаков. Исследование
мультиферроиков RMn2O5 с помощью μSR-метода. Труды XI международного междисциплинарного симпозиума «Упорядочение в
минералах и сплавах» ОМА-11. – Ростов-на-Дону - п. Лоо, 10-15 сентября 2008 г., Том I. стр. 124 – 125. – Ростов-на-Дону: Издательство СКНЦ ВШ
ЮФУ АПСН, 2008.
5. С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, В.П. Коптев, Е.Н. Комаров, С.А. Котов, Г.В. Щербаков. Исследование фазовых переходов и распределения локальных
магнитных полей μSR-методом. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ−2009. Аннотации докладов. В 3 томах. Т. 1. Ядерная физика и энергетика. М.:
МИФИ, 2009. Стр. 272.
6. С.И. Воробьев, В.П. Коптев, Е.Н. Комаров, С.А. Котов, Г.В. Щербаков. Применение мюонного метода (μSR-метода) для исследования магнитных
свойств вещества. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ−2009. Сборник научных трудов. Т. 2. М.: МИФИ, 2009. Стр. 221 – 224.
7. С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, Е.И. Головенчиц, А.А. Дзюба, Е.Н. Комаров, В.П. Коптев, С.А. Котов, В.А. Санина, Г.В. Щербаков. Исследование
редкоземельных манганитов и манганатов с помощью μSR-метода. Второй международный, междисциплинарный симпозиум «Среды со
структурным и магнитным упорядочением» (MULTIFERROICS-2). – Ростов-на-Дону, п. Лоо, 23-28 сентября 2009 г.: Труды симпозиума. –
Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ ЮФУ АПСН, 2009. стр. 48 – 50.
8. С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, Е.И. Головенчиц, А.А. Дзюба, Ю.В. Ёлкин, Е.Н. Комаров, В.П. Коптев, С.А. Котов, В.А. Санина, Г.В. Щербаков.
Исследование редкоземельных манганитов и манганатов с помощью μSR-метода. Актуальные проблемы физики твердого тела (ФТТ-2009):
сборник докладов международной научной конференции, 20-23 октября 2009 г., Минск. В трех томах. Т. 1/ редкол.: Н.М. Олехнович и др. – Минск:
Вараксин А.Н., 2009. Стр. 117 – 119.
9. С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, В.П. Коптев, Е.Н. Комаров, С.А. Котов, Г.В. Щербаков. Исследование фазовых переходов и распределения локальных
магнитных полей SR-методом. Конференция (школа-семинар) по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и
Северо-Запада «ФизикА. СПб». Тезисы докладов, 29-30 октября 2009 г., Санкт-Петербург. – Санкт-Петербург: Изд-во Политехнического
университета, 2009. Стр. 107 – 108.
10. С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, В.П. Коптев, Е.Н. Комаров, С.А. Котов, Г.В. Щербаков. Применение мюонного метода (µSR-метода) для исследования
магнитных свойств вещества. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ−2010.
11. С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, Е.И. Головенчиц, А.А. Дзюба, Е.Н. Комаров, В.П. Коптев, С.А. Котов, В.А. Санина, Г.В. Щербаков. Исследование
редкоземельных манганатов с помощью µSR-метода. НАУЧНАЯ
СЕССИЯ МИФИ−2010.