Проведено исследование магнитного состояния и спиновой динамики в кристалле CuB₂O₄ методом упругого и неупругого рассеяния нейтронов в широком диапазоне температур (0.15 К—25 К) и магнитных полей (0—15 кэ). Определена область магнитоупорядоченного состояния кристалла, в том числе установлено, что в области температур 0.15—10 К магнитная система образует несоизмеримую структуру типа солитнной решетки. Установлена диаграмма магнитного состояния в переменных магнитное поле - температура. Изучена дисперсия магнитных возбуждений в соизмеримой фазе (10—21 К). Развита теория магнитного состояния кристалла CuB₂O₄, удовлетворительно описывающая состояние магнитной солитонной решетки и дисперсию спектра магнитных возбуждений в соизмеримом состоянии спиновой подсистемы кристалла (рис. 1). Получено удовлетворительное описание температурного поведения намагниченности при относительно слабом поле (рис. 2) и перехода первого рода из несоизмеримой в соизмеримую фазу в сильном поле.

Рис. 1.

Рис. 2.

1. Г.А. Петраковский, М.А. Попов, Б. Россли, Б. Уладиаф. Несоизмеримая магнитная структура в мета-борате меди, ЖЭТФ, 120, 926 (2001).
2. M. Boehm, S. Martinov, B. Roessli, G. Petrakovskii, J. Kulda. Spin-wave spectrum of copper metaborate in the commensurate phase, JMMM, 250, 313 (2002).
3. M. Boehm, B. Roessli, J. Schefer, G. Petrakovskii. A neutron scattering and SR investigation of the magnetic phase transitions of CuB₂O₄, Physica B, 318, 277 (2002).
4. J. Schefer, M. Boehm, B. Roessli, G. Petrakovskii. Soliton lattice in copper metaborate in the presence of an external magnetic field, Appl. Phys. A, 75, 1 (2002).

В тройной системе Bi₂O₃—B₂O₃—CuO найдено новое соединение Cu₂BiBO₅. Выращены монокристаллы, на которых проведены рентгеновские и магнитные исследования. Рентгеновские измерения проводились на монокристалле размером 0,5 мм³, имеющем качественную огранку. Кристаллы принадлежат пространственной группе P2₁/c с параметрами a = 3.0666(2) A, b = 11.763(1) A, c = 9.3683(9) A, β = 97.799(8), Z = 4. На СКВИД-магнитометре измерена температурная зависимость восприимчивости, которая в диапазоне температур 4,2—70 К имеет монотонный характер, напоминающий парамагнитное поведение. Однако, на температурной зависимости обратной восприимчивости при понижении температуры от 25 К начинается отклонение от закона Кюри-Вейсса. Экстраполяция линейного участка этой зависимости к температурной оси позволяет определить величину эффективного обменного взаимодействия θ = -14 К. Величина эффективного магнитного момента, определенная из высокотемпературной части магнитной восприимчивости равна μ_эфф. = 1,2μ_В. Не обнаружено магниторезонансное поглощение в этом соединении в интервале температур от жидкого гелия до комнатных.

Теоретическое изучение спектра элементарных возбуждений CuB₂O₄ проведено на основе двухподрешеточной модели в соответствии с существованием в метаборате двух неэквивалентных позиций ионов меди. Высокочастотный спектр спиновых возбуждений соизмеримой фазы, полученный экспериментально методом неупругого рассеяния нейтронов, описывается в рамках двухподрешеточной модели легкоплоскостного антиферромагнетика, использованной для описания сильной магнитной подсистемы. Влияние второй магнитной подсистемы на высокочастотную часть спектра является малым, что объясняется частично разупорядоченным состоянием этой подсистемы в соизмеримой фазе 10K <T< 20K. Резонансные свойства этой подсистемы описываются слабодисперсионной низкочастотной ветвью спиновых возбуждений с волновым вектором вдоль тетрагональной оси. Получены параметры анизотропного симметричного обмена внутри сильной подсистемы, согласующиеся с расчетом температуры магнитного упорядочения TN = 20 K.

Исследованы статические магнитные и резонансные свойства метабората меди CuB₂O₄, легированного парамагнитными добавками Mn (5 и 10 %), Ni (5 %) и Co (10 %). Обнаружено, что парамагнитные примеси смещают переход в несоизмеримое состояние в область более низких температур. Наиболее сильное влияние оказывает примесь Co, в этом случае температура перехода в нулевом магнитном поле сместилась до 7 К по сравнению с 9,5 К в чистом CuB₂O₄, а температура Нееля понизилась до 17,5 К по сравнению с 20 К в чистом CuB₂O₄. При этом поле Дзялошинского практически не изменилось, а поле магнитной анизотропии в тетрагональной плоскости увеличилось примерно вдвое при замещении ионами Ni. Из резонансных данных и полевых зависимостей намагниченности для магнитного поля, ориентированного в тетрагональной плоскости, построена фазовая диаграмма в координатах "магнитное поле — температура" для всех кристаллов.

Фазовая диаграмма состояний метабората меди в координатах "магнитное поле — температура" изучена с помощью детального исследования магнитного резонанса на частотах 3,45 и 5,15 ГГц. Резонансные исследования проведены в интервале температур 10 — 20 К в магнитном поле до 2 кЭ, приложенном в тетрагональной плоскости кристалла. Установлено, что в этом температурном интервале с уменьшением магнитного поля соизмеримое слабоферромагнитное состояние переходит в новое состояние. Измерена температурная зависимость фазовой границы, разделяющей эти два состояния. Критическое поле перехода зависит от температуры и монотонно увеличивается от 140 Э при Т = 9,7 К до 670 Э вблизи ТN = 20 K. Показано, что резонансные свойства этих состояний характеризуются различными частотно-полевыми зависимостями. Сделано предположение, что низкополевая фаза является несоизмеримой, однако вектор модуляции значительно меньше разрешающей способности нейтронографии.

Для теоретического описания поведения магнитной системы метабората меди во внешнем поле проведен симметрийный анализ, получены магнитные моды и построен неполный термодинамический потенциал на двух двухкомпонентных параметрах порядка, отвечающих лежащим в тетрагональной плоскости векторам ферромагнетизма и антиферромагнетизма. Как показал анализ этой феноменологической модели, ее равновесному состоянию, как и экспериментально наблюдаемому, отвечает несовпадение температурной области несоизмеримой фазы с появлением магнитного упорядочения. При наложении внешнего однородного магнитного поля получено удовлетворительное описание не только температурного поведения намагниченности при относительно слабом поле, но и перехода первого рода из несоизмеримой в соизмеримую фазу в сильном поле.

В тройной системе CuO-B₂O₃-Bi₂O₃ найдено новое соединение с химической формулой Cu₅Bi₂B₄O₁₄. Монокристаллы этого соединения получены методом спонтанной кристаллизации. Во избежание загрязнений кристаллов примесями, захватываемыми в процессе роста из растворителей, обычно используемых для выращивания методом спонтанной кристаллизации из раствор-расплава, поиск оптимальных условий роста монокристаллов Cu₅Bi₂B₄O₁₄ осуществлялся варьированием соотношения CuO-Bi₂O₃-B₂O₃. C помощью ДТА и рентгеновского анализа были определены области кристаллизации для большого количества составов, что позволило выбрать как оптимальную область составов, так и температурный режим для роста кристаллов: Bi₂O₃- 20—22 мол.%, CuO- 45—50 мол.%, B₂O₃- 28—35 мол.%. При нагревании смесей окислов до 840—8500 С и скорости охлаждения расплава 1—3 град./час. Были получены монокристаллы размером до 3 мм. Для обеспечения необходимого для нейтронных исследований количества кристаллов было проведено несколько синтезов. С целью уменьшения поглощения нейтронного излучения вместо обычного B₂O₃ использовался оксид бора с изотопом B¹¹.

Проведены исследования электрических, магнитных и магнитоэлектрических свойств сульфидов Fe_XMn_1-XS (0.25 ≤X≤ 0.3), синтезированных на основе α -MnS. Для выяснения природы проводимости и эффекта колоссального магнитосопротивления (КМС) были проведены исследования эффекта Холла в интервале 77—300К в магнитных полях до 15 kOe. Установлено, что катион-замещенные сульфиды Fe_XMn_1-XS имеют смешанный тип проводимости с концентрациями носителей заряда n ∼ 10¹¹ ÷ 10¹⁵ cm ^-3 и высокими значениями подвижности μ∼ 5. 10³ ÷ 10⁴ cm²V^-1sec^-1. Предполагается, что одним из возможных механизмов КМС в данных сульфидах является увеличение концентрации делокализованных электронов.

В селенидных соединениях Fe_XMn_1-XSe (Х = 0.1 ÷ 0.4), подобно сульфидам Fe_XMn_1-XS, обнаружен концентрационный переход диэлектрик — металл (Х_С ∼ 0.4), который сопровождается понижением величины электросопротивления на 10 порядков и увеличением намагниченности на порядок. Установлено, что составы с 0.2<X<0.3 наиболее перспективны с точки зрения поиска колоссального магнитосопротивления.

В монокристалле сульфида марганца α - MnS обнаружена анизотропия магнитного кругового дихроизма (МКД) в интервале температур 86 — 300К в диапазоне энергий 12000 — 24000 cm^-1 в зависимости от кристаллографической ориентации (111) и (100). Обнаруженная анизотропия МКД подтверждает анизотропию спектров оптического поглощения исследованных монокристаллов.

Для антиферромагнетиков с S = 1/2 и спин-фононным взаимодействием с учетом линейного разложения по смещениям ионов на плоской решетке определена фазовая диаграмма основного состояния антиферромагнетика, квантовой спиновой жидкости и область их совместного существования на плоскости "акустическая частота фонона w (k = π) - константа спин-фононного взаимодействия (α)". Вычислены: анизотропия спин-спиновых корреляционных функций, магнитный момент на узле, векторы несоразмерности спиновой плотности, симметрия которых меняется от ромбической до треугольной. Взаимодействие с акустическими фононами приводит к анизотропии типа "легкая плоскость". В спектре триплетных возбуждений открываются щели на границе зоны при α> α_с1, затем в центре зоны для α> α_с2 в некоторой области значений константы спин-фононной связи для случая, когда скорость магнона (v_m) превышает скорость фонона (v_ph). В противоположном случае v_m < v_ph щели в спектре возбуждений одновременно открываются при α> α_с2. Найдены время релаксации между спиновыми и упругими возбуждениями, анизотропия релаксации между направлениями [10] и [01]. Вычислена асимптотическая оценка энергии диффузионного рассеяния.

В упругой системе оценены изменение параметров решетки, параметр орторомбичности, энергия взаимодействия между фононами. Вычисляются структурный, статический и динамический формфакторы в зависимости от величины параметра взаимодействия между спиновой и упругой системами. Определена структура страйпов - динамически связанных спин-фононных возбуждений.

Получены экспериментальные результаты поведения проводимости монокристалла Eu_0.7Pb_0.3MnO₃ при магнитном резонансе. Изменения наблюдаются в температурном диапазоне, где в кристалле реализуется неоднородное парамагнитно-ферромагнитное (PM-FM) двухфазное состояние. Зависимость проводимости от величины внешнего магнитного поля имеет вид дисперсии, причем увеличение сопротивления соответствует полям, где наблюдается ФМР, а уменьшение сопротивления соответствует парамагнитному резонансному поглощению. Такое поведение позволяет заключить, что наблюдаемый эффект не связан с нагревом образца СВЧ-излучением. Величина изменения проводимости в условиях магнитного резонанса зависит от величины тока, пропускаемого через образец. Эта зависимость выходит на насыщение, в то же время ВАХ на постоянном токе остается линейной. Зависимость от СВЧ-мощности также является линейной.

Полученные результаты обсуждаются в рамках следующего механизма. В неоднородном состоянии энергии взаимодействий, отвечающих за тенденции образования PM и FM фаз, становятся сравнимыми. Причем энергетический баланс настолько тонкий, что локальное воздействие на одну из подсистем может привести к изменению условий равновесия и, следовательно, относительной концентрации сосуществующих фаз. Учитывая, что PM фаза имеет полупроводниковую проводимость, а FM - металлический характер проводимости, это, в свою очередь, скажется на транспортных свойствах образца. Поскольку условия возбуждения PM и FM областей в кристалле разнесены по магнитному полю, мы, фактически, при магнитном резонансе возбуждаем либо одну, либо другую фазу.

Магнитостатическими методами проведено исследование основного состояния и магнитной структуры кристаллов (CH₃NH₃)₂CuBr₄. Установлено, что данный кристалл имеет антиферромагнитную структуру типа "крест" с вектором антиферромагнетизма, направленной вдоль С-оси кристалла. Проведено исследование магниторезонансных свойств в диапазоне частот 10 — 80 ГГц.

На пленках [Gd/Si/Co/Si]_n проведены исследования магнитных статических и резонансных свойств. Обнаружено, что в области малых магнитных полей реализуется состояние спинового стекла. В спектрах магнитного резонанса обнаружена дополнительная линия поглощения, что не укладывается в традиционную схему двухподрешеточного ферримагнетика. Полученные экспериментальные результаты подтверждают важную роль биквадратного обменного взаимодействия в формировании магнитной структуры.

Работы выполнены при поддержке:

• Грантов РФФИ №№ 01-02-17270, 02-02-17224
• Гранта БелРФФИ № 00-02-81059 Бел 2000
• Гранта ККФН-РФФИ (Енисей) № 02-02-97702
• Интеграционного проекта N 7 СО РАН "Синтез, строение, свойства неупорядо-ченных композиций"
• ФЦП "Интеграция": проекты № Б001/850, №Я0007/2303.

Лаборатория резонансных свойств магнитоупорядоченных веществ