Аномальный сдвиг поля магнитного резонанса в неупорядоченных и неколлинеарных магнетиках

Лесных Ю.И. (lyis@yandex.ru ) Тольяттинский государственный университет

Монокристаллы системы Cd1-xZnxCr2Se4 являются кубическими спиральными антиферромагнетиками (АФМ) с х > 0,46, ферромагнетиками (FM) с х < 0,35 и спиновыми стеклами (СС) х 0,4. Для спиновых стекол температура перехода в спин-стекольное состояние Tg 20 K. Спиновые стекла - это системы с кубической магнито-кристаллической анизотропией. Энергия Ea анизотропии может плавно меняться от 103 до 105 эрг-см-3 в результате легирования небольшим количеством серебра. Образцы с х 0,46, легированные серебром с концентрацией y = 2 и y = 5 молярных процента (мол.%), являются спиновыми стеклами с температурами перехода Tg=30K и Tg=37K и имеет энергию кубической анизотропии 104 и 105 эрг-см-3 соответственно.

Ранее [1] было показано, что для различных спиновых стекол при низких температурах

наблюдается экспоненциальный рост ширины линии электронного парамагнитного резонанса так,

что

Г - Г0 = Aexp(- T) (1)

где Г0 - ширина линии при высокой температуре, Г1 и T0 - эмпирические параметры, А1 >> А0.

Аномалия Г(Т) при низких температурах интерпретировалась как результат распределения локальных полей, связанных со случайным замерзанием спинов спинового стекла. Однако не существует никакой микроскопической модели, объясняющей наблюдаемые значения T0 и А1 . Было обнаружено, что резонансное поле HR смещается при низких температурах на величину внутреннего

поля H , зависящего от температуры так, что HR =--H , где v и у - частота СВЧ излучения и

у

гиромагнитное отношение соответственно. Внутреннее поле Ht - не зависит от ориентации кристалла. Оно неизменно положительно, как будто бы направление приложенного поля в любом случае является легкой осью. Этот важный результат не понятен, попытки объяснить это явление были сделаны в [1]. Было предположено, что однонаправленная анизотропия, наведенная в спиновом стекле внешним полем, приводит к возникновению Ht . Что касается спиновых стекол системы

Cd1-xZnxCr2Se4 то в них не наблюдается однонаправленной анизотропии при исследовании с помощью магнитометра с вращающимся образцом. В этой системе нет, ни взаимодействия Дзялошинского-Мория (спин-спинового), ни значительного диполь-дипольного взаимодействия, так как кристаллы имеют кубическую симметрию. Магнито-кристаллическая энергия анизотропии не велика и она может меняться путем легирования, поэтому изучение спиновых стекол системы Cd1-xZnxCr2Se4 представляет интерес.

Эксперименты проводились с помощью ЭПР спектрометра X диапазона. Образцы представляли собой полированные пластинки размером 2x2x0,1 мм3 и 2x2x0,2 мм3. Зависимость ширины линии от пика до пика для спиновых стекол показана на рисунке 1.

Рис.1 Зависимость ширины резонансной линии от температуры 1 - кривая X = 0,43, Ea ~103 эрг-см3 и Tg = 20 К ; 2 - кривая X = 0,43, легированная y = 2 мол.% серебра,

Ea ~104 эрг-см3 и Tg = 30 К ; 3 - кривая X = 0,46 , y = 5 мол.% серебра, Ea ~105

эрг-см 3 и Tg = 37 К .

Во всех экспериментах V = 9,1 ОГц. Зависимости Г(Т) удовлетворяют соотношению (1) при T > Т и испытывают излом при T ~ Tg . Заметим, что значения примерно равны для разных

образцов: Г ~ 10 кЭ для образцов с X = 0,43 и Г ~ 8 кЭ для образцов с X = 0,46 , то есть Г не зависит от анизотропии. Для всех образцов T) < Tg : 1 - кривая T0 19K; 2 - кривая - кривая T0 ~ 26K . Аналогичные зависимости Г(Т) для неоднородных антиферромагнетиков системы Сй?1 XZnXCr2при T > , но с меньшими значениями Г и T0, где TN - Неелевское время релаксации. Таким образом, Г зависит от неупорядоченности и не

зависит от анизотропии.

Интенсивность резонансной линии падает с уменьшением температуры. Она обращается в

нуль при T * . Значения T* < 0 для спиновых стекол и T* ~ для антиферромагнетиков.

Антиферромагнитный резонанс не наблюдается на низких частотах в X диапазоне из-за наличия щели в спектре возбуждения, в то время как в спиновых стеклах щели нет. Этот факт может быть использован для построения фазовой диаграммы.

Температурная зависимость амплитуды A производной резонансной линии показана на рисунке 2 для спиновых стекол.

А, усл.ед

О 30 60 90 120 150

Рис.2 Температурная зависимость интенсивности резонансной линии для спиновых стекол. 1 - кривая X = 0,43; 2 - кривая X = 0,46, y = 2 мол.% серебра; 3 -

кривая X = 0,5 , y = 2 мол.% серебра. На рисунке 3 представлена такая же зависимость для антиферромагнетиков.

На рисунке 3 представлена такая же зависимость для антиферромагнетиков.

0 30 60 90 120 150

Рис.3. Температурная зависимость интенсивности резонансной линии для антиферромагнетиков 1 - кривая X = 0,46; 2 - кривая X = 0,5, y = 0,5 мол.%

серебра; 3 - кривая X = 0,52; 4 - кривая X = 0,8 . Зависимость T * (x ) показана на рисунке 4.

Рис.4. Зависимость Т* от концентрации 1 - кривая для нелегированных и 2 - кривая для легированных серебром антиферромагнетиков.

Температурная зависимость Hr для спиновых стекол [2] с X = 0,46 и y = 2 мол.% серебра показана на рисунке 5.

Рис.5. Температурные зависимости резонансного Hr и внутреннего полей. 1 кривая - поле приложено параллельно кристаллографической оси [100]; 2 кривая - вдоль [111] и перпендикулярно плоскости пластинки (Н ; 3 кривая - вдоль [100]; 4 кривая - поле

приложено вдоль [110], и приложенное поле параллельно плоскости пластинки (Нп) .

В соответствии с уравнениями Киттеля для плоского образца можно записать выражения (2):

Нц(#ц + 4пМ)

Из этих можно видеть, чем выше намагниченность при понижении температуры, тем больше Hj и меньше H . Это верно при достаточно высоких температурах, но можно видеть аномальное

падение обоих полей H и H j при низких температурах, как будто бы дополнительное H

добавляется к внешнему полю. Внутреннее поле H почти не зависит от ориентации кристалла и экспериментально зависит от температуры, как показано на рисунке 5 кривая 5 . Тот же результат был получен для неоднородных антиферромагнетиков системы Сй?1 XZnxCr2. Величина H j

увеличивается при X - Xc . Единственное объяснение, которое мы можем предложить для

низкотемпературного сдвига резонансного поля Hr - это позитивная изотропная объемная

стрикция парапроцесса, изученная для системы Cdi XZnxCr2 ££4 в работах [3; 4]. Стрикция

при H ~ HR и T = 10 K в спиновых стеклах равна ферромагнитного обмена J на величину

T = 10 K

и сопровождается увеличением

Г 3k

S (S +1)\

л k(avл

1,5 10-1 эрг,

для иона

Cr 3+ , p - давление, Tc - температура Кюри,

где k - постоянная Больцмана, спин S = -

dT 1

-c = 0,82Kкбар для CdCr2Se [5], - = 2 10 6 бар4 ее сжимаемость [5], тогда

dp К

Hi =AHeff

M AJ

1 кЭ,

где n - концентрация ионов Cr3+. Мы используем тот факт, что позитивная объемная изотропная стрикция парапроцесса CdCr2 вблизи Tc такая же, как и для спиновых стекол этой системы

вблизи Tg [4].

Литература

1. E.M.Jeckson, S.B.Liao, S.M.Bhagat, J,Mag.Mag.Materials. 80(1989) 229.

2. Ю.И.Лесных, РАО ИОСО - М.:2000. с. 150-156

3. А.А.Минаков, И.В.Швец, В.Г.Веселаго, J,Mag.Mag.Materials. 87(1990) 159.

4. А.А.Минаков, И.В.Швец, INTERMAG90, Brighton, UK, (1990) AD-01.

5. V.C.Srivastava, J.Appl. Phys. 40 (1969) 1017.