Антиферромагнитный резонанс в кристалле PrFe₃(BO₃)₄

Проведены экспериментальные исследования АФМР в монокристалле PrFe₃(BO₃)₄ в широком диапазоне частот 10–143 ГГц при температуре 4,2 К. Показано, что высокочастотные свойства ферробората празеодима хорошо описываются в рамках модели двухподрешеточного антиферромагнетика с анизотропией типа «легкая о...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2018
Автори:	Блудов, А.Н., Пащенко, В.А., Кобец, М.И., Бедарев, В.А., Меренков, Д.Н., Гнатченко, С.Л., Гудим, И.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України 2018
Назва видання:	Физика низких температур
Теми:	Низкотемпеpатуpный магнетизм
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/175795
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Антиферромагнитный резонанс в кристалле PrFe₃(BO₃)₄ / А.Н. Блудов, В.А. Пащенко, М.И. Кобец, В.А. Бедарев, Д.Н. Меренков, С.Л. Гнатченко, И.А. Гудим // Физика низких температур. — 2018. — Т. 44, № 2. — С. 185-190. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-175795
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1757952021-02-03T01:28:34Z Антиферромагнитный резонанс в кристалле PrFe₃(BO₃)₄ Блудов, А.Н. Пащенко, В.А. Кобец, М.И. Бедарев, В.А. Меренков, Д.Н. Гнатченко, С.Л. Гудим, И.А. Низкотемпеpатуpный магнетизм Проведены экспериментальные исследования АФМР в монокристалле PrFe₃(BO₃)₄ в широком диапазоне частот 10–143 ГГц при температуре 4,2 К. Показано, что высокочастотные свойства ферробората празеодима хорошо описываются в рамках модели двухподрешеточного антиферромагнетика с анизотропией типа «легкая ось». Определена энергетическая щель (134,3 ± 0,5) ГГц и сделана оценка величины эффективного поля магнитной анизотропии (1,9 ± 0,1) кЭ. Результаты анализа свидетельствуют о первородности спин-ориентационного фазового перехода в исследованном соединении. Проведено експериментальні дослідження АФМР в монокристалі PrFe₃(BO₃)₄ у широкому діапазоні частот 10–143 ГГц при температурі 4,2 К. Показано, що високочастотні властивості фероборату празеодиму добре описуються у рамках моделі двохпідграткового антиферомагнетика з анізотропією типу «легка вісь». Визначено енергетичну щілину (134,3 ± 0,5) ГГц та зроблено оцінку величини ефективного поля магнітної анізотропії (1,9 ± 0,1) кЕ. Результати аналізу свідчать про першорідність спін-орієнтаційного фазового перетворення в дослідженій сполуці. Experimental AFMR studies of PrFe₃(BO₃)₄ single crystal in a wide frequency range (10–143) GHz at the temperature of 4.2 К have been carried out. It is shown that the high-frequency properties of praseodymium ferroborate are well described in the framework of the model for a two-sublattice antiferromagnet with an easy-axis anisotropy. An energy gap of (134.3±0.5) GHz has been determined, and an effective field of magnetic anisotropy of 1.9±0.1 kOe has been estimated. The results of analysis indicate the spin-orientational phase transition has a first-order character in the studied compound 2018 Article Антиферромагнитный резонанс в кристалле PrFe₃(BO₃)₄ / А.Н. Блудов, В.А. Пащенко, М.И. Кобец, В.А. Бедарев, Д.Н. Меренков, С.Л. Гнатченко, И.А. Гудим // Физика низких температур. — 2018. — Т. 44, № 2. — С. 185-190. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 75.50.Ее, 76.50.+g http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/175795 ru Физика низких температур Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Низкотемпеpатуpный магнетизм Низкотемпеpатуpный магнетизм
spellingShingle	Низкотемпеpатуpный магнетизм Низкотемпеpатуpный магнетизм Блудов, А.Н. Пащенко, В.А. Кобец, М.И. Бедарев, В.А. Меренков, Д.Н. Гнатченко, С.Л. Гудим, И.А. Антиферромагнитный резонанс в кристалле PrFe₃(BO₃)₄ Физика низких температур
description	Проведены экспериментальные исследования АФМР в монокристалле PrFe₃(BO₃)₄ в широком диапазоне частот 10–143 ГГц при температуре 4,2 К. Показано, что высокочастотные свойства ферробората празеодима хорошо описываются в рамках модели двухподрешеточного антиферромагнетика с анизотропией типа «легкая ось». Определена энергетическая щель (134,3 ± 0,5) ГГц и сделана оценка величины эффективного поля магнитной анизотропии (1,9 ± 0,1) кЭ. Результаты анализа свидетельствуют о первородности спин-ориентационного фазового перехода в исследованном соединении.
format	Article
author	Блудов, А.Н. Пащенко, В.А. Кобец, М.И. Бедарев, В.А. Меренков, Д.Н. Гнатченко, С.Л. Гудим, И.А.
author_facet	Блудов, А.Н. Пащенко, В.А. Кобец, М.И. Бедарев, В.А. Меренков, Д.Н. Гнатченко, С.Л. Гудим, И.А.
author_sort	Блудов, А.Н.
title	Антиферромагнитный резонанс в кристалле PrFe₃(BO₃)₄
title_short	Антиферромагнитный резонанс в кристалле PrFe₃(BO₃)₄
title_full	Антиферромагнитный резонанс в кристалле PrFe₃(BO₃)₄
title_fullStr	Антиферромагнитный резонанс в кристалле PrFe₃(BO₃)₄
title_full_unstemmed	Антиферромагнитный резонанс в кристалле PrFe₃(BO₃)₄
title_sort	антиферромагнитный резонанс в кристалле prfe₃(bo₃)₄
publisher	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
publishDate	2018
topic_facet	Низкотемпеpатуpный магнетизм
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/175795
citation_txt	Антиферромагнитный резонанс в кристалле PrFe₃(BO₃)₄ / А.Н. Блудов, В.А. Пащенко, М.И. Кобец, В.А. Бедарев, Д.Н. Меренков, С.Л. Гнатченко, И.А. Гудим // Физика низких температур. — 2018. — Т. 44, № 2. — С. 185-190. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series	Физика низких температур
work_keys_str_mv	AT bludovan antiferromagnitnyjrezonansvkristalleprfe3bo34 AT paŝenkova antiferromagnitnyjrezonansvkristalleprfe3bo34 AT kobecmi antiferromagnitnyjrezonansvkristalleprfe3bo34 AT bedarevva antiferromagnitnyjrezonansvkristalleprfe3bo34 AT merenkovdn antiferromagnitnyjrezonansvkristalleprfe3bo34 AT gnatčenkosl antiferromagnitnyjrezonansvkristalleprfe3bo34 AT gudimia antiferromagnitnyjrezonansvkristalleprfe3bo34
first_indexed	2025-07-15T13:14:11Z
last_indexed	2025-07-15T13:14:11Z
_version_	1837718837815934976
fulltext	Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 2, c. 185–190 Антиферромагнитный резонанс в кристалле PrFe3(BO3)4 А.Н. Блудов, В.А. Пащенко, М.И. Кобец, В.А. Бедарев, Д.Н. Меренков, С.Л. Гнатченко Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины пр. Науки, 47, г. Харьков, 61103, Украина E-mail: bludov@ilt.kharkov.ua И.А. Гудим Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН г. Красноярск, 660036, Россия Статья поступила в редакцию 11 августа 2017 г., опубликована онлайн 26 декабря 2017 г. Проведены экспериментальные исследования АФМР в монокристалле PrFe3(BO3)4 в широком диапа- зоне частот 10–143 ГГц при температуре 4,2 К. Показано, что высокочастотные свойства ферробората празеодима хорошо описываются в рамках модели двухподрешеточного антиферромагнетика с анизо- тропией типа «легкая ось». Определена энергетическая щель (134,3 ± 0,5) ГГц и сделана оценка величи- ны эффективного поля магнитной анизотропии (1,9 ± 0,1) кЭ. Результаты анализа свидетельствуют о первородности спин-ориентационного фазового перехода в исследованном соединении. Проведено експериментальні дослідження АФМР в монокристалі PrFe3(BO3)4 у широкому діапазоні частот 10–143 ГГц при температурі 4,2 К. Показано, що високочастотні властивості фероборату празео- диму добре описуються у рамках моделі двохпідграткового антиферомагнетика з анізотропією типу «легка вісь». Визначено енергетичну щілину (134,3 ± 0,5) ГГц та зроблено оцінку величини ефективного поля магнітної анізотропії (1,9 ± 0,1) кЕ. Результати аналізу свідчать про першорідність спін-орієнтаційного фазового перетворення в дослідженій сполуці. PACS: 75.50.Ее Антиферромагнетики; 76.50.+g Ферромагнитный, антиферромагнитный и ферримагнитный резонансы. Ключевые слова: антиферромагнетик, антиферромагнитный резонанс, спин-ориентационный фазовый переход, энергетическая щель. Введение Соединения обширного изоструктурного семейства редкоземельных ферроборатов с общей формулой RFe3(BO3)4 (R — редкоземельный ион) демонстриру- ют большое разнообразие магнитных и электрических свойств [1]. В этих мультиферроиках наблюдается це- лый ряд спонтанных и индуцированных магнитным полем фазовых переходов [1]. Магнитные моменты ио- нов Fe3+ (6S5/2) упорядочиваются антиферромагнитно при температурах порядка 30–40 К. Парамагнитные редкоземельные ионы R3+ эффективно подмагничивают- ся в результате обменного взаимодействия с подсистемой железа. Эффективная магнитная анизотропия ферробора- тов с R = Nd3+, Y3+, Sm3+, Er3+ является положительной (типа «легкая плоскость»), в то же время для кристал- лов с Tb3+, Dy3+, Pr3+ она отрицательна (типа «легкая ось») [1]. Следует отметить, что магнитоэлекрические свойства соединений RFe3(BO3)4 исследованы доста- точно подробно [2], в то же время их высокочастотные свойства рассматривались в ограниченном числе ра- бот. В частности, в кристаллах GdFe3(BO3)4 [3], Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 [4] и Nd0,75Ho0,25Fe3(BO3)4 [5] детектировался антиферромагнитный резонанс (АФМР) на ионах железа Fe3+, и полученные результаты хорошо описывались простой моделью одноосного двухподреше- точного антиферромагнетика [6]. Объектом исследования в представленной работе является монокристалл легкоосного антиферромагне- тика PrFe3(BO3)4 с тригональной структурой, принад- © А.Н. Блудов, В.А. Пащенко, М.И. Кобец, В.А. Бедарев, Д.Н. Меренков, С.Л. Гнатченко, И.А. Гудим, 2018 А.Н. Блудов и др. лежащей пространственной группе R32. Температура магнитного упорядочения TN, по данным [3], составля- ет 30,5 К. Магнитные моменты ионов железа Fe3+ в упорядоченном состоянии направлены вдоль триго- нальной оси (ось с кристалла) [7]. Установлено, что магнитное поле Н, направленное вдоль оси c, индуци- рует спин-ориентационный фазовый переход (поле перехода ~45 кЭ при температуре 4,2 К). Он сопрово- ждается резким изменением намагниченности М(Н), магнитострикции [7] и упругих модулей [8]. Квазиоптические исследования PrFe3(BO3)4, прове- денные в отсутствие магнитного поля, обнаружили энер- гетическую щель ~ 4,5 см–1 (при Т = 5 К) антиферромаг- нитного резонанса подсистемы ионов Fe3+ [9]. Была также измерена температурная зависимость этой энер- гетической щели. В то же время щель, связанная с под- системой празеодима, не наблюдалась. Из оптических исследований [10] установлено, что основным состояни- ем иона Pr3+ (мультиплет 3Н4) является синглетный уро- вень, а первый возбужденный уровень имеет энергию 48 см–1. Этот факт свидетельствует, что подсистема пра- зеодима принципиально не изменяет эффективную мо- дель двухподрешеточного антиферромагнетика c анизо- тропией типа «легкая ось», описывающую высоко- частотные свойства исследуемого кристалла. Ее влияние можно свести к дополнительному вкладу в эффектив- ное поле анизотропии железной подсистемы со сторо- ны празеодимовой. Исследования кристалла PrFe3(BO3)4 методом АФМР явно недостаточно представлены в литературе. Так, опубликованы лишь предварительные результаты изме- рений частотно-полевой зависимости (ЧПЗ) этого объек- та в поле, приложенном вдоль оси с [11]. Между тем де- тальное изучение высокочастотных свойств позволяет определить величину щелей в спектре спиновых волн, оценить эффективные обменные взаимодействия, по- лучить дополнительную информацию о магнитной структуре и природе фазовых переходов. Таким обра- зом, цель представленной работы заключалась в выявле- нии особенностей АФМР, оценке эффективных магнит- ных взаимодействий и выяснении характера магнитного фазового перехода в монокристалле PrFe3(BO3)4. Характеристики образца и методики Монокристалл ферробората празеодима был изготов- лен методом раствор-расплавной кристаллизации [12]. Ориентация кристаллических осей PrFe3(BO3)4 опре- делена рентгенографическим методом. После механи- ческой обработки исследуемый образец имел вид тон- кой пластинки размерами 3×3×0,1 мм. Тригональная ось была направлена перпендикулярно поверхности пла- стинки и совпадала с кристаллографической осью с. По- скольку в процессе обработки кристалла могут образовы- ваться дефекты, образец был отожжен при высокой температуре для минимизации механических напряже- ний. Исследования полевых зависимостей спектров АФМР в монокристалле PrFe3(BO3)4 проводились в частотном диапазоне 10–143 ГГц на комплексе стандартных спек- трометров при температуре 4,2 К. В качестве активного элемента использовались цилиндрические резонаторы с волной Н01n для соответствующих диапазонов час- тот. Использовалась только перпендикулярная поляри- зация СВЧ поля. Поскольку монокристалл PrFe3(BO3)4 демонстриру- ет ярко выраженную аксиальную симметрию магнит- ных свойств, то магнитный резонанс измерялся нами при двух различных ориентациях внешнего магнитно- го поля: вдоль кристаллографической оси с (Н \|\| c) и перпендикулярно ей (H ⊥ c). Погрешность ориентации образца составляла не более 0,1○. Дополнительно были проведены эксперименты в наклонном магнитном поле, приложенном под небольшим углом к оси с кристалла. Экспериментальная часть На рис. 1 показана серия спектров поглощения СВЧ мощности в монокристалле PrFe3(BO3)4 на частотах от 12 до 143 ГГц при ориентации внешнего магнитного поля Н \|\| c. Поскольку при такой ориентации в образце наблюдается фазовый переход в магнитном поле Ht = (45,4 ± 0,2) кЭ, обозначенный на рисунке верти- кальной пунктирной линией (в этом поле в спектрах АФМР наблюдается особенность в виде «ступеньки» почти для всех доступных в эксперименте частот), то логично будет отдельно рассматривать резонансное поведение кристалла в полях ниже и выше Ht. При Н < Ht обнаружены две линейные моды АФМР ν1 и ν2, выходящие из одной щели ∆ величиной (134,3 ± 0,5) ГГц. Резонансное поле моды ν1 возрастает с увеличением частоты наблюдений, тогда как резо- нансное поле моды ν2 монотонно убывает. Из-за экс- периментальных ограничений частоты регистрации восходящая ветвь ν1 наблюдалась только в небольшом частотном интервале 134,3–143 ГГц. С другой сторо- ны, смягчение линейной моды АФМР ν2 можно реги- стрировать в широком интервале полей вплоть до Ht. В полях выше Ht эта мода не детектируется. Следует подчеркнуть, что частота резонанса ν2 в поле Ht еще не равна нулю и составляет около 12 ГГц. В магнитных полях H > Ht детектируется новая мода νhf, резонансная частота которой нелинейно возрастает с увеличением поля. Эта ветвь колебаний может быть связана со спин-флоп модой опрокинутого состояния двухподрешеточного антиферромагнетика с анизотро- пией типа «легкая ось». В рамках модели [6] частота спин-флоп моды должна быть равна нулю при фазовом переходе и в дальнейшем будет возрастать по закону Н½ при увеличении внешнего поля. Однако в эксперименте 186 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 2 Антиферромагнитный резонанс в кристалле PrFe3(BO3)4 резонансная мода νhf наблюдается только на частотах выше 65 ГГц и регистрируется вплоть до 143 ГГц включительно. В окрестности Ht в частотных интервалах от 10 до 65 ГГц и от 65 до 143 ГГц никаких дополнитель- ных резонансных линий поглощения не обнаружено. Та- ким образом, данные эксперимента демонстрируют энер- гетический разрыв между модами ν1–ν2 и νhf. На рис. 2 представлены спектры поглощения СВЧ мощности в монокристалле PrFe3(BO3)4 при ориента- ции H ⊥ c. В этом случае наблюдается только одна мода ν⊥, изменение резонансного поля которой пока- зано на рисунке пунктирной линией. Эта ветвь колеба- ний может быть связана с так называемой «квадратичной модой» АФМР двухподрешеточного антиферромагнети- ка с анизотропией типа «легкая ось» при ориентации внешнего магнитного поля перпендикулярно легкой оси. Резонансное поле наблюдаемой моды ν⊥ возрастает при повышении частоты СВЧ излучения. Ветвь ν⊥ име- ет такую же величину антиферромагнитной щели ∆ = 134,3 ГГц, как и колебания ν1 и ν2 при Н \|\| c. Ниже щели никаких резонансных линий при H ⊥ c не обна- ружено. Дополнительно к основным экспериментам был ис- следован АФМР в магнитном поле, отклоненном от оси с кристалла на небольшой угол. Для сравнения на рис. 3 представлены два спектра поглощения АФМР кристалла PrFe3(BO3)4 на частоте 104,8 ГГц в полях 30–65 кЭ для двух ориентаций: 1) поле Н строго сов-Рис. 1. Спектры поглощения АФМР в монокристалле PrFe3(BO3)4 в диапазоне частот 12–143 ГГц при Н \|\| c. Штри- ховые линии схематически показывают изменение резонанс- ного поля мод АФМР ν1, ν2 и νhf от частоты наблюдения. Вертикальной пунктирной линией отмечено поле фазового перехода Ht = 45,4 кЭ. Узкая линия соответствует сигналу от эталонного образца — дифенилпикрилгидразила (ДФПГ). Рис. 2. Спектры поглощения АФМР в монокристалле PrFe3(BO3)4 при H ⊥ с. Штриховой линией обозначено пове- дение квадратичной моды ν⊥ магнитного резонанса. Рис. 3. Спектры поглощения АФМР в монокристалле PrFe3(BO3)4 на частоте 104,8 ГГц во внешнем магнитном поле, направленном строго параллельно оси с (0°) и под не- большим углом к ней (~3°). На вставке показан фрагмент частотно-полевой зависимости АФМР в магнитных полях, ориентированных под углом ~3° к оси с. Погрешность опре- деления резонансного поля линии поглощения АФМР пока- зана горизонтальными отрезками. Поле фазового перехода Ht отмечено пунктирной линией. Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 2 187 А.Н. Блудов и др. падает с направлением оси с кристалла (0°; Н \|\| c); 2) отклонено от оси с на угол ~3°. Видно, что при стро- гой ориентации Н \|\| c при H > Ht наблюдается только одна линия поглощения νhf, которая детектируется в резонансном поле около 56 кЭ. Кроме этой линии в спектре АФМР хорошо проявляется аномалия в виде «ступеньки» в поле Ht (отмечено стрелкой на рис. 3). В наклонном поле при H > Ht кроме линии νhf об- наружена дополнительная линия поглощения, обозна- ченная на рис. 3 как νso. Отметим, что при понижении частоты наблюдения линии поглощения νso и νhf сдви- гаются навстречу друг другу, пока не произойдет их слияние в один резонансный пик, при этом ЧПЗ кри- сталла PrFe3(BO3)4 в наклонном поле (~3°) демонстри- рует минимум с координатами порядка 51 кЭ и 89 ГГц (см. вставку на рис. 3). Обсуждение На основании экспериментальных результатов, по- лученных нами в широком диапазоне частот и магнит- ных полей при двух различных ориентациях магнитного поля Н (вдоль оси с и перпендикулярно ей), была вос- становлена частотно-полевая зависимость АФМР моно- кристалла PrFe3(BO3)4, представленная на рис. 4. Следу- ет отметить, что результаты наших измерений при Н \|\| c согласуются с опубликованными ранее данными [11], при этом ЧПЗ исследована нами гораздо более подробно, особенно в области полей фазового перехода и выше. Для описания высокочастотных свойств PrFe3(BO3)4 воспользуемся простой моделью коллинеарного двух- подрешеточного антиферромагнетика с анизотропией типа «легкая ось», совпадающей с направлением оси с кристалла [6]. При Н \|\| c и H < Ht две линейные моды АФМР ν1 и ν2 будут описываться следующим выраже- нием: 2 2 1,2 H ν   ∆ = ±   γ γ   , (1) где /Bg hγ = µ — гиромагнитное отношение (g — эффек- тивный g-фактор иона Fe3+, Bµ — магнетон Бора, h — постоянная Планка). Знак «+» соответствует восходящей моде ν1, знак «–» — спадающей моде ν2. Наилучшее сов- падение с экспериментальными данными достигается при следующих значениях двух независимых параметров: ∆ = (134,3 ± 0,5) ГГц и γ = (2,799 ± 0,025) ГГц/кЭ. Рас- четные кривые для этих параметров показаны сплош- ными прямыми линиями на рис. 4. Полученная в ре- зультате этого анализа оценка параметра ∆ полностью совпадает с экспериментально определенной величиной щели АМФР в нулевом магнитном поле. Кроме того, это значение при пересчете в единицы обратных санти- метров (4,48 см–1) почти точно совпадает с энергетиче- ской щелью антиферромагнитного резонанса 4,5 см–1, обнаруженной в квазиоптических исследованиях при Т = 5 К [8]. Используя величину параметра γ, можно получить оценку эффективного g-фактора, равную g = 2,00 ± 0,01, что полностью подтверждает ожидаемое чисто спиновое состояние ионов Fe3+(6S5/2). Величину щели АМФР можно выразить через эффективные поля обмена Не и магнитной анизотропии На антиферро- магнетика как ( )1/2/ 2 48,0 кЭe aH H∆ γ = = . Используя величину обменного поля Не ≈ 600 кЭ для ферробора- та празеодима [10], можно оценить эффективное поле магнитной анизотропии как На = (1,9 ± 0,1) кЭ. Наконец следует отметить, что при указанных значениях пара- метров Δ и γ частота моды АФМР ν2 обращается в нуль в магнитном поле 1 48 0/ , кЭH = ∆ =γ (см. рис. 4), величина которого заметно превосходит эксперимен- тально определенное значение поля фазового перехода Ht = 45,4 кЭ. При H > Ht полевая зависимость резонансной линии поглощения νhf (так называемой спин-флоп моды [6]) будет описываться следующим выражением: 2 2 2 2 hf H H ν  = −  γ  , (2) где H2 — поле лабильности моды, при котором ее ре- зонансная частота обращается в нуль. Наилучшее сов- падение с экспериментальными данными достигается при следующих значениях двух независимых парамет- ров: Н2 = (42,5 ± 0,5) кЭ и γ = (2,80 ± 0,05) ГГц/кЭ. Расчетная кривая показана сплошной линией на рис. 4. Полученная из этого анализа оценка величины пара- метра γ совпадает с определенной ранее при H < Ht, а Рис. 4. Частотно-полевая зависимость спектра АФМР в мо- нокристалле PrFe3(BO3)4 для Н \|\| c (●) и Н ⊥ c (○). Сплошные (Н \|\| c) и прерывистая (Н ⊥ c) линии — расчетные кривые, полученные в рамках модели для одноосного двухподреше- точного антиферромагнетика. Вертикальной пунктирной линией отмечено поле фазового перехода Ht = 45,4 кЭ. Стрелками обозначены поля лабильности Н1 и Н2. 188 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 2 Антиферромагнитный резонанс в кристалле PrFe3(BO3)4 эффективное поле Н2 заметно ниже экспериментально измеренного поля перехода Ht. С другой стороны, как было показано выше, частота АФМР ν2(Н) обращается в нуль в поле Н1, явно превышающем Ht. Таким образом, значение поля перехода Ht находится внутри достаточно широкого интервала между двумя полями лабильности Н1 и Н2. Следует заметить, что фиксированные вели- чины эффективных параметров Не и На, оценки кото- рых получены выше из значения щели АМФР, должны предопределять величины полей лабильности Н1 и Н2 соответственно как 47,98 и 47,83 кЭ в рамках модели для двухподрешеточного антиферромагнетика с анизо- тропией типа «легкая ось» [6] и интервал между поля- ми лабильности Н1 и Н2 порядка 150 Э, что не согласу- ется с экспериментально наблюдаемым фактом. Такое значительное различие полей лабильности Н1 и Н2 (в кристалле PrFe3(BO3)4 2 1 5,5 кЭН Н− ≈ ) мы связываем с эффектом подмагничивающего воздействия со сторо- ны празеодимовой подсистемы на подсистему Fe3+, что проявляется в различных величинах эффективного поля анизотропии в различных магнитных состояниях. При перпендикулярной ориентации внешнего маг- нитного поля модель для двухподрешеточного антифер- ромагнетика с анизотропией типа «легкая ось» предска- зывает наблюдение квадратичной по полю моды АФМР, полевая зависимость которой будет описываться сле- дующим выражением: 2 2 2H⊥ν   ∆ = +   γ γ    . (3) Расчет показывает, что и в этом случае параметры Δ и γ идентичны результатам предыдущего анализа. Со- ответствующая кривая показана прерывистой линией на рис. 4. Наблюдается удовлетворительное согласие расчета с экспериментальными данными. Таким образом, восстановленную полную частотно- полевую диаграмму АФМР монокристалла PrFe3(BO3)4 (Н \|\| c; H ⊥ c) можно удовлетворительно описать в рамках простой модели двухподрешеточного антиферромагне- тика типа «легкая ось». Отметим, что в такой модели фазовое превращение коллинеарного магнитного со- стояния в опрокинутое (спин-флоп переход) обычно происходит как фазовый переход первого рода [6]. Известно, что при отклонении магнитного поля от легкой оси на угол Ψ, превышающий некоторое крити- ческое значение Ψcr, фазовый переход в одноосном ан- тиферромагнетике происходит уже не скачком (что ти- пично для первородного превращения), а в результате плавной переориентации магнитных моментов. Крити- ческий угол Ψcr определяется отношением Ha/He [13]. Используя значения Ha и He для кристалла PrFe3(BO3)4, можно оценить величину Ψcr = Ha/He ≈ 0,2°. При небольшом Ψ > Ψcr в спектре АФМР вблизи по- ля фазового перехода появляется дополнительная линия поглощения νso, отсутствующая в случае строгой ори- ентации магнитного поля вдоль «легкой оси» кристалла. Мы полагаем, что наблюдаемая нами мода νso соединя- ет непрерывным образом ветви АФМР до и после фазо- вого перехода (см. рис. 3). Подобная ветвь, связывающая восходящую линейную моду ν1 (H < Ht) со спин-флоп модой опрокинутого состояния (H > Ht) и создающая непрерывность частотно-полевой зависимости, обычно появляется при «ориентационном» резонансе [6]. Как видно, восстановленная частотно-полевая зави- симость АФМР для Ψ ≈ 3° (см. вставку на рис. 3) явля- ется типичной для легкоосного антиферромагнетика в наклонном поле [6]. Проведенные нами исследования АФМР дают основа- ния полагать, что при Н \|\| c в монокристалле PrFe3(BO3)4 наблюдается спин-ориентационный фазовый переход первого рода — спин-флоп переход. Весомыми аргу- ментами в пользу магнитного фазового превращения первого рода являются: 1) значительный частотный разрыв между ветвями ν1 и νhf в окрестности фазового перехода при строгой ориентации поля вдоль «легкой оси»; 2) наблюдение «ориентационной» моды (резо- нанса) при отклонении внешнего поля от «легкой оси» на угол, превышающий некоторое критическое значе- ние Ψcr. Кроме того, наблюдаемый нами энергетический разрыв возбуждения высокополевой моды νhf, которая детектируется только на частотах выше 65 ГГц (H > Ht), а также то обстоятельство, что частота колебания ν2 не достигает нуля при Ht и в более высоких полях соответ- ствующая мода исчезает, может указывать на то, что фа- зовое превращение происходит скачком. С другой стороны, в работе [14] в результате теоре- тических исследований сделан вывод о том, что спин- ориентационный фазовый переход в PrFe3(BO3)4 из ан- тиферромагнитной фазы в опрокинутую является пере- ходом второго рода, и только внешне напоминает спин- флоп. Такой результат основан на предположении о присутствии в кристалле наряду с доминирующей лег- коосной анизотропией слабой дополнительной компо- ненты магнитной анизотропии более высокого порядка. Хотя константа этой анизотропии на три порядка меньше по сравнению с легкоосной, ее существование должно приводить к тому, что указанный переход будет происхо- дить вторым родом. Вопрос окончательного выяснения рода этого магнитного фазового превращения в кристал- ле PrFe3(BO3)4 все же требует дальнейших дополнитель- ных исследований. Таким образом, проведены детальные эксперимен- тальные исследования АФМР монокристалла PrFe3(BO3)4 в широком диапазоне частот 10–143 ГГц при ориентациях внешнего магнитного поля Н \|\| c и H ⊥ c и температуре 4,2 К. Показано, что высокочастотные свойства ферробората празеодима качественно описы- ваются в рамках простой модели двухподрешеточно- го антиферромагнетика с легкой осью анизотропии, Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 2 189 А.Н. Блудов и др. параллельной кристаллографической оси с. Восста- новлена частотно-полевая диаграмма АФМР моно- кристалла PrFe3(BO3)4 при температуре 4,2 К. Опреде- лена энергетическая щель в спектре спиновых волн антиферромагнетика ∆ = (134,3 ± 0,5) ГГц, величина эффективного g-фактора иона Fe3+ g = 2,00 ± 0,01 и сде- лана оценка величины эффективного поля анизотропии На = (1,9 ± 0,1) кЭ. Резонансные свойства кристалла в исследованном частотном диапазоне определяются ис- ключительно железной подсистемой. Результаты про- веденных высокочастотных исследований PrFe3(BO3)4 дают основания считать, что индуцируемый спин-ори- ентационный переход при ориентации магнитного по- ля Н вдоль оси c является фазовым переходом первого рода. 1. А.Н. Васильев, Е.А. Попова, ФНТ 32, 968 (2006) [Low Temp. Phys. 32, 735 (2006)]. 2. А.М. Кадомцева, Ю.Ф. Попов, Г.П. Воробьев, А.П. Пятаков, С.С. Кротов, К.И. Камилов, В.Ю. Иванов, А.А. Мухин, А.К. Звездин, А.М. Кузьменко, Л.Н. Безматерных, И.А. Гудим, В.Л. Темеров, ФНТ 36, 640 (2010) [Low Temp. Phys. 36, 511 (2010)]. 3. А.И. Панкрац, Г.А. Петраковский, Л.Н. Безматерных, О.А. Баюков, ЖЭТФ 126, 887 (2004) [JETP 99, 766 (2004)]. 4. М.И. Кобец, К.Г. Дергачев, Е.Н. Хацько, С.Л. Гнатченко, ФНТ 40, 810 (2014) [Low Temp. Phys. 40, 629 (2014)]. 5. М.И. Кобец, К.Г. Дергачев, С.Л. Гнатченко, Е.Н. Хацько, Л.Н. Безматерных, И.А. Гудим, ФНТ 41, 96 (2015) [Low Temp. Phys. 41, 75 (2015)]. 6. А.Г. Гуревич, Магнитный резонанс в ферритах и анти- ферромагнетиках, Наука, Москва (1973). 7. А.М. Кадомцева, Ю.Ф. Попов, Г.П. Воробьев, А.А. Мухин, В.Ю. Иванов, А.М. Кузьменко, Л.Н. Безматерных, Письма в ЖЭТФ 87, 45 (2008) [JETP Lett. 87, 35 (2008)]. 8. Г.А. Звягина, К.Р. Жеков, Л.Н. Безматерных, И.А. Гудим, И.В. Билыч, А.А. Звягин, ФНТ 36, 376 (2010) [Low Temp. Phys. 36, 296 (2010)]. 9. А.М. Кузьменко, А.А. Мухин, В.Ю. Иванов, А.М. Кадомцева, С.П. Лебедев, Л.Н. Безматерных, ЖЭТФ 140, 131 (2011) [JETP 113, 113 (2011)]. 10. M.N. Popova, T.N. Stanislavchuk, B.Z. Malkin, and L.N. Bezmaternykh, Phys. Rev. B 80, 195101 (2009). 11. A.I. Pankrats, A.A. Demidov, C. Ritter, D.A. Velikanov, S.V. Semenov, V.I. Tugarinov, V.L. Temerov, and I.A. Gudim, J. Phys. Condens. Matter 28, 396001 (2016). 12. L.N. Bezmaternykh, V.L. Temerov, I.A. Gudim, and N.A. Stolbovaya, Crystallogr. Rep. 50 (Suppl. 1), S97 (2005). 13. М.И. Каганов, Г.К. Чепурных, ФТТ 11, 911 (1969). 14. Н.В. Костюченко, А.И. Попов, А.К. Звездин, ФТТ 54, 1493 (2012) [Phys. Solid State 54, 1591 (2012)]. Antiferromagnetic resonance in a crystal PrFe3(BO3)4 A.N. Bludov, V.A. Pashchenko, M.I. Kobets, V.A. Bedarev, D.N. Merenkov, S.L. Gnatchenko and I.A. Gudim Experimental AFMR studies of PrFe3(BO3)4 single crystal in a wide frequency range (10–143) GHz at the temperature of 4.2 К have been carried out. It is shown that the high-frequency properties of praseodymium ferroborate are well described in the framework of the model for a two-sublattice antiferromagnet with an easy-axis anisotropy. An energy gap of (134.3±0.5) GHz has been determined, and an effective field of magnetic anisotropy of 1.9±0.1 kOe has been estimated. The re- sults of analysis indicate the spin-orientational phase transition has a first-order character in the studied com- pound. PACS: 75.50.Ее Antiferromagnetics; 76.50.+g Ferromagnetic, antiferromagnetic, and ferrimagnetic resonances, spin-wave reso- nance. Keywords: antiferromagnet, antiferromagnetic reso- nance, spin-orientation phase transition, energy gap. 190 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 2 http://dx.doi.org/10.1063/1.2219496 http://dx.doi.org/10.1063/1.2219496 http://dx.doi.org/10.1063/1.3457390 http://dx.doi.org/10.1063/1.3457390 http://dx.doi.org/10.1134/1.1826168 http://dx.doi.org/10.1063/1.4890992 http://dx.doi.org/10.1063/1.4906338 http://dx.doi.org/10.1063/1.4906338 http://dx.doi.org/10.1134/S0021364008010104 http://dx.doi.org/10.1134/S106377611105013X https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.195101 http://dx.doi.org/10.1088/0953-8984/28/39/396001 http://dx.doi.org/10.1134/1.2133981 http://dx.doi.org/10.1134/S1063783412080161 Введение Характеристики образца и методики Экспериментальная часть Обсуждение

Антиферромагнитный резонанс в кристалле PrFe₃(BO₃)₄

Репозитарії

Схожі ресурси