Особенности импульсного и квазистатического перемагничивания и релаксационные свойства монокристалла .Nd₀.₅Sr₀.₅MnO₃
Исследованы особенности перемагничивания монокристалла .Nd₀.₅Sr₀.₅MnO₃ в квазистатическом и импульсном магнитных полях. Изучена релаксация намагниченности и сопротивления после воздействия сильного магнитного поля. Досліджено особливості перемагнічування монокристала .Nd₀.₅Sr₀.₅MnO₃ у квазістатичном...
Saved in:
| Published in: | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Authors: | , , , , , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2015
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107383 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Особенности импульсного и квазистатического перемагничивания и релаксационные свойства монокристалла .Nd₀.₅Sr₀.₅MnO₃ / В.Т. Довгий, А.И. Линник, В.И. Каменев, В.Ю. Таренков, С.Л. Сидоров, Б.М. Тодрис, В.И. Михайлов, Н.В. Давыдейко, Т.А. Линник, Ю.Ф. Попов, А.М. Балбашов // Физика и техника высоких давлений. — 2015. — Т. 25, № 1-2. — С. 20-30. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-107383 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Довгий, В.Т. Линник, А.И. Каменев, В.И. Таренков, В.Ю. Сидоров, С.Л. Тодрис, Б.М. Михайлов, В.И. Давыдейко, Н.В. Линник, Т.А. Попов, Ю.Ф. Балбашов, А.М. 2016-10-19T07:26:19Z 2016-10-19T07:26:19Z 2015 Особенности импульсного и квазистатического перемагничивания и релаксационные свойства монокристалла .Nd₀.₅Sr₀.₅MnO₃ / В.Т. Довгий, А.И. Линник, В.И. Каменев, В.Ю. Таренков, С.Л. Сидоров, Б.М. Тодрис, В.И. Михайлов, Н.В. Давыдейко, Т.А. Линник, Ю.Ф. Попов, А.М. Балбашов // Физика и техника высоких давлений. — 2015. — Т. 25, № 1-2. — С. 20-30. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 75.60.–d, 71.30.+h, 73.63.Bd, 75.30.Cr https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107383 Исследованы особенности перемагничивания монокристалла .Nd₀.₅Sr₀.₅MnO₃ в квазистатическом и импульсном магнитных полях. Изучена релаксация намагниченности и сопротивления после воздействия сильного магнитного поля. Досліджено особливості перемагнічування монокристала .Nd₀.₅Sr₀.₅MnO₃ у квазістатичному й імпульсному магнітних полях. Вивчено релаксацію намагніченості й опору після дії сильного магнітного поля. The hysteresis features of reversal magnetisation of the .Nd₀.₅Sr₀.₅MnO₃ single crystal are investigated at remagnetizing in quasistatic and pulse magnetic field. The relaxation of the magnetization and the resistance after the influence of strong magnetic field are studied too. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Особенности импульсного и квазистатического перемагничивания и релаксационные свойства монокристалла .Nd₀.₅Sr₀.₅MnO₃ Peculiarities of pulse and quasi-static remagnetization and relaxation properties of the .Nd₀.₅Sr₀.₅MnO₃ single crystal Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Особенности импульсного и квазистатического перемагничивания и релаксационные свойства монокристалла .Nd₀.₅Sr₀.₅MnO₃ |
| spellingShingle |
Особенности импульсного и квазистатического перемагничивания и релаксационные свойства монокристалла .Nd₀.₅Sr₀.₅MnO₃ Довгий, В.Т. Линник, А.И. Каменев, В.И. Таренков, В.Ю. Сидоров, С.Л. Тодрис, Б.М. Михайлов, В.И. Давыдейко, Н.В. Линник, Т.А. Попов, Ю.Ф. Балбашов, А.М. |
| title_short |
Особенности импульсного и квазистатического перемагничивания и релаксационные свойства монокристалла .Nd₀.₅Sr₀.₅MnO₃ |
| title_full |
Особенности импульсного и квазистатического перемагничивания и релаксационные свойства монокристалла .Nd₀.₅Sr₀.₅MnO₃ |
| title_fullStr |
Особенности импульсного и квазистатического перемагничивания и релаксационные свойства монокристалла .Nd₀.₅Sr₀.₅MnO₃ |
| title_full_unstemmed |
Особенности импульсного и квазистатического перемагничивания и релаксационные свойства монокристалла .Nd₀.₅Sr₀.₅MnO₃ |
| title_sort |
особенности импульсного и квазистатического перемагничивания и релаксационные свойства монокристалла .nd₀.₅sr₀.₅mno₃ |
| author |
Довгий, В.Т. Линник, А.И. Каменев, В.И. Таренков, В.Ю. Сидоров, С.Л. Тодрис, Б.М. Михайлов, В.И. Давыдейко, Н.В. Линник, Т.А. Попов, Ю.Ф. Балбашов, А.М. |
| author_facet |
Довгий, В.Т. Линник, А.И. Каменев, В.И. Таренков, В.Ю. Сидоров, С.Л. Тодрис, Б.М. Михайлов, В.И. Давыдейко, Н.В. Линник, Т.А. Попов, Ю.Ф. Балбашов, А.М. |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Физика и техника высоких давлений |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Peculiarities of pulse and quasi-static remagnetization and relaxation properties of the .Nd₀.₅Sr₀.₅MnO₃ single crystal |
| description |
Исследованы особенности перемагничивания монокристалла .Nd₀.₅Sr₀.₅MnO₃ в квазистатическом и импульсном магнитных полях. Изучена релаксация намагниченности и сопротивления после воздействия сильного магнитного поля.
Досліджено особливості перемагнічування монокристала .Nd₀.₅Sr₀.₅MnO₃ у квазістатичному й імпульсному магнітних полях. Вивчено релаксацію намагніченості й опору після дії сильного магнітного поля.
The hysteresis features of reversal magnetisation of the .Nd₀.₅Sr₀.₅MnO₃ single crystal are investigated at remagnetizing in quasistatic and pulse magnetic field. The relaxation of the magnetization and the resistance after the influence of strong magnetic field are studied too.
|
| issn |
0868-5924 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107383 |
| citation_txt |
Особенности импульсного и квазистатического перемагничивания и релаксационные свойства монокристалла .Nd₀.₅Sr₀.₅MnO₃ / В.Т. Довгий, А.И. Линник, В.И. Каменев, В.Ю. Таренков, С.Л. Сидоров, Б.М. Тодрис, В.И. Михайлов, Н.В. Давыдейко, Т.А. Линник, Ю.Ф. Попов, А.М. Балбашов // Физика и техника высоких давлений. — 2015. — Т. 25, № 1-2. — С. 20-30. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT dovgiivt osobennostiimpulʹsnogoikvazistatičeskogoperemagničivaniâirelaksacionnyesvoistvamonokristalland05sr05mno3 AT linnikai osobennostiimpulʹsnogoikvazistatičeskogoperemagničivaniâirelaksacionnyesvoistvamonokristalland05sr05mno3 AT kamenevvi osobennostiimpulʹsnogoikvazistatičeskogoperemagničivaniâirelaksacionnyesvoistvamonokristalland05sr05mno3 AT tarenkovvû osobennostiimpulʹsnogoikvazistatičeskogoperemagničivaniâirelaksacionnyesvoistvamonokristalland05sr05mno3 AT sidorovsl osobennostiimpulʹsnogoikvazistatičeskogoperemagničivaniâirelaksacionnyesvoistvamonokristalland05sr05mno3 AT todrisbm osobennostiimpulʹsnogoikvazistatičeskogoperemagničivaniâirelaksacionnyesvoistvamonokristalland05sr05mno3 AT mihailovvi osobennostiimpulʹsnogoikvazistatičeskogoperemagničivaniâirelaksacionnyesvoistvamonokristalland05sr05mno3 AT davydeikonv osobennostiimpulʹsnogoikvazistatičeskogoperemagničivaniâirelaksacionnyesvoistvamonokristalland05sr05mno3 AT linnikta osobennostiimpulʹsnogoikvazistatičeskogoperemagničivaniâirelaksacionnyesvoistvamonokristalland05sr05mno3 AT popovûf osobennostiimpulʹsnogoikvazistatičeskogoperemagničivaniâirelaksacionnyesvoistvamonokristalland05sr05mno3 AT balbašovam osobennostiimpulʹsnogoikvazistatičeskogoperemagničivaniâirelaksacionnyesvoistvamonokristalland05sr05mno3 AT dovgiivt peculiaritiesofpulseandquasistaticremagnetizationandrelaxationpropertiesofthend05sr05mno3singlecrystal AT linnikai peculiaritiesofpulseandquasistaticremagnetizationandrelaxationpropertiesofthend05sr05mno3singlecrystal AT kamenevvi peculiaritiesofpulseandquasistaticremagnetizationandrelaxationpropertiesofthend05sr05mno3singlecrystal AT tarenkovvû peculiaritiesofpulseandquasistaticremagnetizationandrelaxationpropertiesofthend05sr05mno3singlecrystal AT sidorovsl peculiaritiesofpulseandquasistaticremagnetizationandrelaxationpropertiesofthend05sr05mno3singlecrystal AT todrisbm peculiaritiesofpulseandquasistaticremagnetizationandrelaxationpropertiesofthend05sr05mno3singlecrystal AT mihailovvi peculiaritiesofpulseandquasistaticremagnetizationandrelaxationpropertiesofthend05sr05mno3singlecrystal AT davydeikonv peculiaritiesofpulseandquasistaticremagnetizationandrelaxationpropertiesofthend05sr05mno3singlecrystal AT linnikta peculiaritiesofpulseandquasistaticremagnetizationandrelaxationpropertiesofthend05sr05mno3singlecrystal AT popovûf peculiaritiesofpulseandquasistaticremagnetizationandrelaxationpropertiesofthend05sr05mno3singlecrystal AT balbašovam peculiaritiesofpulseandquasistaticremagnetizationandrelaxationpropertiesofthend05sr05mno3singlecrystal |
| first_indexed |
2025-11-26T08:07:45Z |
| last_indexed |
2025-11-26T08:07:45Z |
| _version_ |
1850615143346470912 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2015, том 25, № 1–2
© В.Т. Довгий, А.И. Линник, В.И. Каменев, В.Ю. Таренков, С.Л. Сидоров, Б.М. Тодрис,
В.И. Михайлов, Н.В. Давыдейко, Т.А. Линник, Ю.Ф. Попов, А.М. Балбашов, 2015
PACS: 75.60.–d, 71.30.+h, 73.63.Bd, 75.30.Cr
В.Т. Довгий, А.И. Линник, В.И. Каменев, В.Ю. Таренков,
С.Л. Сидоров, Б.М. Тодрис, В.И. Михайлов, Н.В. Давыдейко,
Т.А. Линник, Ю.Ф. Попов, А.М. Балбашов
ОСОБЕННОСТИ ИМПУЛЬСНОГО И КВАЗИСТАТИЧЕСКОГО
ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ И РЕЛАКСАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
МОНОКРИСТАЛЛА Nd0.5Sr0.5MnO3
Статья поступила в редакцию 30 апреля 2014 года
Исследованы особенности перемагничивания монокристалла Nd0.5Sr0.5MnO3 в ква-
зистатическом и импульсном магнитных полях. Изучена релаксация намагничен-
ности и сопротивления после воздействия сильного магнитного поля. Показано,
что релаксационные кривые аппроксимируются двумя экспонентами с различными
постоянными времени, связанными с релаксацией метастабильной ферромагнит-
ной (FM) фазы к двум различным антиферромагнитным (AFM) кристаллическим
структурам (Imma и p21/m). Для области температур ниже 150 K предложен ме-
ханизм фазовых переходов: анитиферромагнитной изолирующей ↔ ферромагнит-
ной металлической (AFM/I ↔ FM/M) и существования высокопроводящего со-
стояния образца после снятия намагничивающего поля. Механизм обусловлен
структурным переходом, который индуцирован магнитным полем (за счет маг-
нитострикции), и медленной релаксацией FM-фазы (большего объема) к равновес-
ной AFM-фазе (меньшего объема) после снятия поля. Показано, что для темпера-
туры 18 K при импульсном перемагничивании время реализации фазового перехода
AFM/I → FM/M на 6–7 порядков меньше времени реализации фазового перехода
FM/M → AFM/I.
Ключевые слова: манганиты, намагниченность, удельное сопротивление, фазовые
переходы, зарядовое и орбитальное упорядочение, релаксация
Досліджено особливості перемагнічування монокристала Nd0.5Sr0.5MnO3 у
квазістатичному й імпульсному магнітних полях. Вивчено релаксацію на-
магніченості й опору після дії сильного магнітного поля. Показано, що релак-
саційні криві апроксимуються двома експонентами з різними постійними часу,
пов’язаними з релаксацією метастабільної феромагнітної (FM) фази до двох
різних антиферомагнітних (AFM) кристалічних структур (Imma і p21/m). Для
області температур нижче 150 K запропоновано механізм фазових переходів:
антиферомагнітної ізолюючої ↔ феромагнітної металевої (AFM/I ↔ FM/M)
та існування високопровідного стану зразка після зняття поля, що намагнічує.
Механізм обумовлено структурним переходом, який індуковано магнітним по-
лем (за рахунок магнітострикції), і повільною релаксацією FM-фази (більшого
об’єму) до рівноважної AFM-фази (меншого об’єму) після зняття поля. Показа-
Физика и техника высоких давлений 2015, том 25, № 1–2
21
но, що для температури 18 K при імпульсному перемагнічуванні час реалізації
фазового переходу AFM/I → FM/M на 6–7 порядків менше часу реалізації фазо-
вого переходу FM/M → AFM/I.
Ключові слова: манганіти, намагніченість, питомий опір, фазові переходи, зарядо-
ве й орбітальне впорядкування, релаксація
1. Введение
Развитие нового направления микроэлектроники – спинтроники –
требует разработки и использования новых материалов, в которых про-
цессы переноса заряда определяются их магнитным состоянием. В этом
отношении редкоземельные манганиты со структурой перовскита типа
R1–xMxMnO3 (где R – трехвалентные ионы La, Pr, Nd и других редкозе-
мельных элементов, M – двухвалентные ионы Sr, Ca, Ba) являются пер-
спективными материалами [1–3]. Природа наблюдаемого в них колоссаль-
ного магнитосопротивления до конца не установлена. Эти системы демон-
стрируют богатые фазовые диаграммы с разнообразными типами струк-
турного, магнитного, зарядового и орбитального упорядочения [4], в кото-
рых наблюдается уникальная взаимосвязь электронных, магнитных и
структурных свойств.
Манганиты с половинным замещением интересны тем, что демонст-
рируют спиновое, зарядовое и орбитальное упорядочение, а также инду-
цированные магнитным полем структурные и магнитные фазовые пере-
ходы, обладают свойствами мультиферроиков. Для практического при-
менения этих материалов и понимания физической природы происходя-
щих в них процессов необходимо выяснить несколько принципиальных
вопросов:
1) почему в составе Nd0.5Sr0.5MnO3 все три фазовых перехода (структур-
ный, магнитный, зарядового и орбитального упорядочения) совпадают по
температуре, а в других составах – нет?
2) каким образом в данном образце при низких температурах происхо-
дит переход из AFM- в FM-состояние в магнитном поле несколько тесла,
если шкала энергий следующая: щель в плотности состояний при темпе-
ратуре зарядового упорядочения ~ 300 meV [5], энергия зарядового упо-
рядочения ~ 12 meV, а энергия магнитного поля 9 Т составляет только ~
1.8 meV [6]?
3) каковы причины сохранения при низких температурах высокопрово-
дящего состояния образца после снятия намагничивающего поля?
В настоящей работе проведены исследования структурных, магнитных и
транспортных свойств монокристаллов состава Nd0.5Sr0.5MnO3 в широкой
(6–300 K) области температур, квазистатическом магнитном поле до 9 Т,
импульсном магнитном поле до 14 Т. Особое внимание было уделено изуче-
нию процессов релаксации намагниченности и сопротивления после воздей-
ствия магнитного поля 9 Т.
Физика и техника высоких давлений 2015, том 25, № 1–2
22
Цель работы – выяснение природы гистерезисного характера поведения
полевых зависимостей сопротивления и намагниченности при низких тем-
пературах в импульсном и квазистатическом магнитных полях до 14 Т, изу-
чение природы фазовых переходов AFM → FM и FM → AFM, их временных
характеристик, установление причины существования высокопроводящего
состояния образца после снятия магнитного поля.
2. Результаты эксперимента и обсуждение
Монокристаллические образцы состава Nd0.5Sr0.5MnO3 выращены мето-
дом плавающей зоны с радиационным нагревом [7]. Параметры кристалли-
ческой решетки и направления кристаллографических осей определяли на
рентгеновском дифрактометре ДРОН-2 (Ni Kα-излучение) по положению
линий (600), (060), (008). Исследованные образцы обладали орторомбиче-
ской структурой Pnma с постоянными решетки: a = 0.54780 nm, b = 0.54308 nm,
c = 0.76116 nm. Степень искажений в плоскости a–b кристалла достаточно
мала (оси a и b отличаются на 0.9%). Поэтому при кристаллизации указан-
ные кристаллографические направления не выдерживаются, что приводит к
формированию в образце двойников. Это проявляется в раздвоении рентге-
новских рефлексов. Однако полуширина кривых качания для всех направле-
ний не превышала 1.5°, что свидетельствует о достаточном совершенстве
полученных кристаллов. Следует заметить, что двойникование является ха-
рактерной особенностью монокристаллов манганитов с искаженной перов-
скитовой структурой.
Измерение полевых и температурных зависимостей намагниченности и
сопротивления и исследование процесса их релаксации выполняли на ус-
тановке PPMS-9 в квазистатическом магнитном поле. Сопротивление об-
разца определяли четырехзондовым методом в следующей геометрии: из-
мерительный ток – вдоль оси c кристалла, магнитное поле – перпендику-
лярно току. В импульсном магнитном поле были исследованы зависимости
M(H) в интервале температур 18–200 K с помощью индукционной методи-
ки. При этом в каждом цикле измерений на образец воздействовали двупо-
лярным импульсом магнитного поля общей длительностью 1.5 ms. Во всех
экспериментах магнитное поле было направлено перпендикулярно оси c
кристалла.
Монокристаллы состава Nd0.5Sr0.5MnO3 при охлаждении от комнатной
температуры испытывают следующие преобразования: парамагнитный изо-
лятор (PM/I)–ферромагнитный металл (FM/M) (255 K), ферромагнитный ме-
талл (FM/M) (255–150 K)–антиферромагнитный изолятор (AFM/I) (< 150 K)
[4,8]. По данным нейтронографических и магнитных исследований в манга-
ните Nd0.5Sr0.5MnO3 при T < 150 K сосуществуют три фазы: AFM CE-типа
(~ 60%), AFM А-типа (~ 20%) и FM (~ 20%) с объемом элементарной ячейки
VCE = 159.1 Å3 (моноклинная симметрия), VA = 158.65 Å3, VFM = 159.4 Å3
(орторомбическая симметрия) [9]. В то же время при T >150 K основной
Физика и техника высоких давлений 2015, том 25, № 1–2
23
(> 80%) является FM-фаза с соответствующим наибольшим объемом эле-
ментарной ячейки.
В настоящей работе эксперименты по импульсному и квазистатическому
перемагничиванию выполняли в температурном диапазоне ниже 150 K, т.е.
в области существования антиферромагнитного изолятора. Исследование
температурных зависимостей намагниченности и сопротивления проводили
в диапазоне 6–300 K. При этом были обнаружены все вышеуказанные фазо-
вые переходы. Отметим, что фазовый переход металл–диэлектрик при T =
= 150 K для данного монокристалла, по-видимому, можно отнести к перехо-
дам металл–изолятор моттовского типа [10].
На рис. 1 приведены полевые зависимости намагниченности M(H) и
удельного сопротивления ρ(H) (на вставке) при температуре 10 K в квази-
статическом поле (кривые 1–4) и при температуре 18 K в импульсном поле
(кривые 5–7). Кривые намагничивания в квазистатическом поле демонстри-
руют сосуществование FM- и AFM-фаз. Каждый раз после установления
равновесного состояния образца начальные участки кривых M(H) идут по
одной и той же кривой 4 и в низких полях соответствуют намагничиванию
существующей ферромагнитной фазы (см. ниже), а гистерезисные участки
M(H) (кривые 1–3) в высоких полях соответствуют перемагничиванию фаз
AFM/I–FM/M.
Рис. 1. Полевые зависимости намагниченности M(Н) и удельного сопротивления
ρ(Н) (на вставке) монокристалла Nd0.5Sr0.5MnO3 при температуре 10 K в квазистати-
ческом поле (кривые 1–4) и при температуре 18 K в импульсном поле (кривые 5–7):
1, 2 и 3 – гистерезис при последовательном намагничивании и размагничивании
образца в поле до 3, 6 и 8(9) Т соответственно; 4 и 5 – кривые намагничивания об-
разца из равновесного (AFM/I) состояния в квазистатическом и импульсном поле
соответственно; 6 – кривая намагничивания образца, частично сохранившего не-
равновесную фазу FM/M; 7 – кривая перемагничивания образца, испытавшего фа-
зовый переход AFM/I → FM/M
Физика и техника высоких давлений 2015, том 25, № 1–2
24
Поведение образца в импульсном поле заметно отличается от его поведе-
ния в квазистатическом поле. Для образца, находящегося изначально в рав-
новесном состоянии, намагничивание начинается по кривой 5, а переход
AFM/I–FM/M происходит резко при величине импульсного поля порядка 10 Т.
Размагничивание и перемагничивание в отрицательном поле идут по кривой
7, пока поле не обратится в нуль. Повторное воздействие импульсного поля
через 5–10 min после окончания первого цикла начинается по кривой 6. При
этом переход AFM/I–FM/M наблюдается при величине импульсного поля
порядка 8 Т. Далее перемагничивание снова идет по кривой 7.
Полевые зависимости удельного сопротивления ρ(H) (см. вставку рис. 1)
при 10 K в квазистатическом поле также проявляют гистерезисный характер,
демонстрируют резкое уменьшение сопротивления в магнитном поле 9 Т и
сохранение этого высокопроводящего состояния после снятия магнитного
поля. Отметим, что при намагничивании до 3 Т зависимость ρ(H) имеет
очень слабый гистерезис и обратима (кривая 1–1). В то же время после на-
магничивания до 6 Т сопротивление образца заметно уменьшается и после
сброса поля не возвращается к исходному значению (кривая 2–2). Последо-
вавший вскоре следующий цикл намагничивания до 9 Т начинается от этого
нового значения сопротивления, дает еще больший гистерезис и приводит к
упомянутому высокопроводящему состоянию (кривая 3–3). При сопоставле-
нии зависимостей M(Н) и ρ(H) обнаруживается противоречие: кривые
намагниченности «замкнуты» и образец в нулевом поле размагничен, а
кривые удельного сопротивления «разомкнуты» (кроме цикла 1–1) и при
увеличении магнитного поля до 9 Т, а затем при его снижении до 0 низко-
омное состояние сохраняется.
Для сравнения влияния импульсного и квазистатического магнитных по-
лей на магнитные переходы AFM/I–FM/M в монокристалле Nd0.5Sr0.5MnO3
на рис. 2 приведена T–Н-диаграмма. Из фазовой диаграммы видно, что область
существования метастабильной фазы FM/M в импульсном поле значительно
шире, чем в квазистатическом. При этом в импульсном поле при низких (18 K)
Рис. 2. Т–Н-диаграмма монокристалла
Nd0.5Sr0.5MnO3 в импульсном поле: штри-
ховая линия – граница фазового перехо-
да FM/M → AFM/I в квазистатическом
поле [8]; косая штриховка – критические
поля фазового перехода при импульс-
ном перемагничивании (□ – переход
AFM/I → FM/M, ○ – FM/M → AFM/I);
перекрестная штриховка – при квазиста-
тическом
Физика и техника высоких давлений 2015, том 25, № 1–2
25
температурах индуцированный этим полем фазовый переход AFM/I → FM/M
занимает время на 6–7 порядков меньшее, чем обратный спонтанный пере-
ход FM/M → AFM/I. Такое же соотношение длительности переходов имеет
место при разрушении и восстановлении зарядового упорядочения.
Чтобы понять сильную временную асимметрию фазового перехода
AFM/I ↔ FM/M и причины существования высокопроводящего состояния
образца после снятия магнитного поля при низкотемпературном перемагни-
чивании монокристалла Nd0.5Sr0.5MnO3, авторы выполнили исследования
процесса релаксации намагниченности и сопротивления, полагая, что она
отражает релаксацию самой решетки.
Предварительные данные о релаксации намагниченности и сопротивле-
ния были получены при изучении температурного изменения намагничен-
ности M(Т) и удельного сопротивления ρ(T) после воздействия магнитного
поля 8(9) Т при температуре ~ 10 K. На рис. 3 и 4 приведены соответственно
кривые M(Т), снятые сразу после сброса поля (кривая 2) и через 24 h (кривая
1), и ρ(T) – сразу после сброса поля. Из рис. 3 видно, что кривая 1 демонст-
рирует поведение, которое хорошо согласуется с известными литературны-
ми данными [11]. В то же время зависимости M(T) (рис. 3, кривая 2) и ρ(T)
(рис. 4) в области низких температур демонстрируют восстановление M и ρ
к равновесным величинам, характерным для AFM-состояния. Указанные за-
висимости снимали при достаточно медленном (~ 1 K/min) росте температу-
ры, полагая, что вклад температуры в процесс релаксации при низких тем-
пературах будет мал. На вставках рис. 3 и 4 представлены перестроенные по
времени зависимости M(t) и ρ(t) в области низких температур, где эти зависи-
мости хорошо описываются экспонентой. Постоянные времени релаксации
Рис. 3. Температурные зависимости намагниченности M(Т) монокристалла
Nd0.5Sr0.5MnO3 в поле 0.5 T: 1 – через 24 h после сброса поля 8 Т; 2 – сразу после
сброса поля 8 Т до 0.5 Т. На вставке – кривая релаксации начального участка зави-
симости M(Т), выделенного прямоугольником (M = M0 + M1exp(–t/τ1), τ = 9.7 min)
Рис. 4. Температурная зависимость удельного сопротивления ρ(Т) монокристалла
Nd0.5Sr0.5MnO3. На вставке – кривая релаксации начального участка зависимости
ρ(Т), выделенного прямоугольником (ρ = A1 exp(τ/t), τ = 8 min)
Физика и техника высоких давлений 2015, том 25, № 1–2
26
для M и ρ оказались близкими и составили соответственно τM = 9.7 min и τρ =
= 8 min. Тем не менее, поскольку при этом температура образца поднима-
лась от 10 до 40–50 K, эти характеристики релаксации следует считать при-
близительными.
Поэтому нами были проведены прямые исследования релаксации намаг-
ниченности. Подобного рода исследований в литературе нам не удалось об-
наружить. Эксперимент проводили следующим образом. С целью надежного
перевода образца в состояние FM/M его нагревали до температуры ~ 60 K и
доводили поле до 9 Т. В соответствии с фазовой диаграммой рис. 2 в образ-
це происходил фазовый переход AFM/I → FM/M. Далее, не выключая поля,
образец охлаждали до требуемой температуры и сбрасывали поле до изме-
рительного значения 0.5 Т. На рис. 5 приведены данные по изменению на-
магниченности от времени после сброса намагничивающего магнитного по-
ля при температурах 20, 30 и 40 K. Как видим, имеет место релаксация на-
магниченности образца из металлического FM-состояния (составляющего
100% фазы) к AFM-состоянию типов CE (~ 60%) и A (~ 20%), а также оста-
точной FM-фазы (~ 20%). Как уже указывалось выше, эти фазы являются
равновесными при температурах ниже 150 K.
Расчет показал, что кривые релаксации хорошо аппроксимируются двумя
экспонентами в соответствии с формулой
M = M0 + M1exp(–t/τ1) + M2exp(–t/τ2).
При этом постоянные времени составили: τ1 = 1.9 min, τ2 = 20.6 min для T =
= 20 K; τ1 = 1.6 min, τ2 = 17.9 min для T = 30 K; τ1 = 1.2 min, τ2 = 8.9 min для
T = 40 K. Как видим, с ростом температуры релаксация намагниченности
ускоряется, и, следовательно, ускоряется релаксация кристаллической ре-
шетки. При температурах же ~ 10 K метастабильная FM/M-фаза сохраняется
Рис. 5. Кривые релаксации удельной
намагниченности M(t) монокристалла
Nd0.5Sr0.5MnO3 после сброса намагничи-
вающего поля 9 T до 0.5 T при темпера-
турах, K: 1 – 20, 2 – 30, 3 – 40. Сплошные
кривые – разложение на экспоненты
по формуле M = M0 + M1exp(–t/τ1) +
+ M2exp(–t/τ2)
Физика и техника высоких давлений 2015, том 25, № 1–2
27
в течение многих минут, обеспечивая высокопроводящее состояние образца.
Упомянутые две экспоненты, по-видимому, относятся к двум AFM-фазам
CE- и A-типа, до которых релаксирует решетка кристалла Nd0.5Sr0.5MnO3
(соответствующая метастабильной FM-фазе) после сброса намагничивающего
поля. Причем, видимо, кристалл медленнее релаксирует к фазе СЕ-типа, а бы-
стрее – к фазе A-типа. Что касается остаточной FM-фазы, то именно в нее
преобразуется кристаллическая решетка Nd0.5Sr0.5MnO3 в сильных магнит-
ных полях, и, следовательно, эта остаточная фаза релаксации не испытывает.
Таким образом, проведенные нами исследования показали, что при тем-
пературах порядка 10 K под воздействием магнитного поля переход AFM/I–
FM/M происходит в результате перестройки кристаллической решетки мо-
нокристалла Nd0.5Sr0.5MnO3 за счет магнитострикции. Данный вывод очеви-
ден, поскольку, как показали исследования, выполненные по магнитострик-
ции в [6], между намагниченностью и кристаллической структурой сущест-
вует тесная связь.
В квазистатическом магнитном поле скорость его изменения, по-
видимому, сравнима со скоростью трансформации решетки, и переход
AFM/I–FM/M происходит плавно (см. рис. 1). В то же время очевидно в им-
пульсном поле скорость изменения поля заметно превышает скорость пре-
образования решетки, и поэтому переход AFM/I–FM/M происходит лишь
тогда, когда величина поля достигнет уровня, при котором возможно суще-
ствование только фазы FM/M, что подтверждается резкостью перехода (см.
рис. 1, кривая 5). Напомним, что длительность двуполярного импульса пе-
ремагничивания составляет ~ 1.5 ms. Следовательно, величина поля, при ко-
торой происходят перестройка кристаллической решетки и переход AFM/I–
FM/M с разрушением зарядового упорядочения, достигается через 0.3–0.4 ms.
Отсюда можем сделать вывод, что продолжительность самого перехода не
превышает 0.3 ms.
При уменьшении поля и переходе в отрицательные значения образец ве-
дет себя как чисто ферромагнитный, проявляя высокое значение магнитного
момента, причем особенно это очевидно для эксперимента в импульсном
поле (рис. 1, кривая 7). В квазистатическом поле наблюдается гистерезис,
связанный с тем, что образец успевает частично релаксировать к равновес-
ному состоянию и поэтому при повторном намагничивании в положитель-
ном или отрицательном поле обнаруживает более низкое значение M. Вели-
чина гистерезиса пропорциональна величине поля, до которого намагничи-
вается образец. Это, по-видимому, обусловлено тем, что с увеличением поля
все большая часть фазы AFM/I переходит в состояние FM/M.
Свидетельством метастабильности FM/M-состояния может служить ре-
зультат, представленный на рис. 1, кривая 6. Как уже отмечалось, эта кривая
получена в новом цикле импульсного перемагничивания через 5–10 min по-
сле окончания предыдущего цикла. Очевидно, за это время образец успел
частично релаксировать к фазе AFM/I, однако часть образца сохранила фазу
Физика и техника высоких давлений 2015, том 25, № 1–2
28
FM/M с более низким значением магнитного момента, до которого образец и
намагнитился при повторном перемагничивании. В дальнейшем полный пе-
реход AFM/I–FM/M происходит при меньшем (~ 8 T) значении импульсного
поля. Таким образом, при температурах 10–20 K после сброса намагничи-
вающего поля продолжительность восстановления кристаллической решет-
ки до равновесной фазы AFM/I с соответствующим восстановлением заря-
дового упорядочения составляет десятки минут. Как видим, это время на 6–7
порядков превышает время перехода в метастабильную фазу FM/M при на-
магничивании кристалла в полях ~ 10 Т.
Следует отметить нестыковку в величинах намагниченности при ее ре-
лаксации после воздействия квазистатического (рис. 5, кривая 1) и импульс-
ного полей (см. рис. 1, кривые 6 и 7). Причиной нестыковки, очевидно, явля-
ется то обстоятельство, что в эксперименте с квазистатическим полем даже
после сброса намагничивающего поля на образец продолжало действовать
измерительное поле 0.5 T. По-видимому, это поле поддерживало неравно-
весное ферромагнитное состояние образца. В то же время в эксперименте с
импульсным полем после окончания первого цикла перемагничивания обра-
зец оставался в нулевом поле и, следовательно, успел размагнититься до бо-
лее низкого значения намагниченности. Однако факт релаксации намагни-
ченности остается, и он, очевидно, связан с трансформацией кристалличе-
ской решетки при воздействии и сбросе магнитного поля.
Эксперименты по туннельной спектроскопии на Nd0.5Sr0.5MnO3 показыва-
ют, что щель в плотности состояний при температуре зарядового упорядоче-
ния составляет ΔCO ~ 300 meV [5]. Эта щель намного больше, чем энергия за-
рядового упорядочения (kTCO ~ 12 meV) и магнитного поля 9 Т (~ 1.8 meV)
[6]. Поэтому непонятно, как при такой энергетической шкале поле в не-
сколько тесла может разрушить зарядово-упорядоченное состояние.
По-видимому, существование многофазности, как магнитной, так и струк-
турной, а также индуцирование магнитным полем за счет магнитострикции
структурной перестройки с увеличением объема элементарной ячейки позво-
ляют осуществить переход AFM → FM. Этот переход, очевидно, сопровожда-
ется разрушением зарядового упорядочения и исчезновением щели в плотно-
сти состояний, как это имеет место при спонтанном переходе в FM-состояние
при температуре 150 K. После снятия магнитного поля происходит медленная
релаксация кристаллической структуры к равновесной, характерной для
AFM-фазы. Ясно, что существующая в районе 10 K в течение многих минут
неравновесная FM-фаза и дает высокопроводящее состояние образца. Заме-
тим, что при этом магнитный момент образца практически равен нулю, оче-
видно, вследствие разбиения данной FM-фазы на домены.
3. Выводы
1. Перемагничивание монокристалла Nd0.5Sr0.5MnO3 в импульсном поле
при низких (18 K) температурах показало, что индуцированный этим полем
Физика и техника высоких давлений 2015, том 25, № 1–2
29
фазовый переход AFM/I → FM/M занимает время на 6–7 порядков меньшее,
чем время обратного спонтанного фазового перехода FM/M → AFM/I. Такое
же соотношение времен реализации имеет место при разрушении и восста-
новлении зарядового упорядочения.
2. Поскольку энергии магнитного поля 9 Т (~ 1.8 meV) далеко не доста-
точно для реализации перехода AFM/I → FM/M и разрушения зарядового
упорядочения (kTCO ~ 12 meV, ΔCO ~ 300 meV), описанный эффект, очевид-
но, обусловлен индуцированным магнитным полем (за счет магнитострик-
ции) структурным переходом с разрушением зарядового упорядочения и
увеличением объема элементарной ячейки до характерного для FM-фазы.
3. Исследование процессов релаксации намагниченности при низких тем-
пературах после воздействия магнитного поля до 9 Т показало, что релакса-
ционные кривые хорошо аппроксимируются двумя экспонентами с различ-
ными постоянными времени. Эти экспоненты можно связать с двумя кри-
сталлическими структурами – моноклинной p21/m (соответствующей AFM-
фазе СЕ-типа), и орторомбической Imma (соответствующей AFM-фазе A-
типа), к которым релаксирует метастабильная ферромагнитная фаза.
4. Существование при 10 K в течение многих минут неравновесной FM-
фазы обусловливает высокопроводящее состояние образца после снятия
магнитного поля благодаря медленной релаксации неравновесной FM-фазы
(с увеличенным объемом кристаллической решетки) к равновесной AFM-
фазе (с кристаллической решеткой меньшего объема).
1. Э.Л. Нагаев, УФН 166, 833 (1996).
2. Ю.А. Изюмов, Ю.Н. Скрябин, УФН 171, 121 (2001).
3. М.Ю. Каган, К.И. Кугель, УФН 171, 577 (2001).
4. R. Kajimoto, H. Yoshizawa, H. Kawano, H. Kuwahara, Y. Tokura, K. Ohoyama, and
M. Ohashi, Phys. Rev. B60, 9506 (1999).
5. A. Bisvas, A.K. Raychaudhuri, A. Arulraj, C.N.R. Rao, Appl. Phys. A66, S1213
(1998).
6. R. Mahendiran, M.R. Ibarra, A. Maignan, F. Millang, A.А. Luraj, R. Mahesh, B. Raveau,
and C.N.R. Rao, Phys. Rev. Lett. 82, 2191 (1999).
7. A.M. Balbashov, S.G. Karasbashev, Ya.M. Mukovskii, S.A. Zverkov, J. Cryst. Growth
167, 365 (1996).
8. H. Kuwahara, Y. Tomioka, A. Asamitsu, Y. Moritomo, Y. Tokura, Science 270, 961
(1995).
9. C. Ritter, R. Mahendiran, M.R. Ibarra, L. Morellon, A. Maignan, B. Raveau, and
C.N.R. Rao, Phys. Rev. B61, R9229 (2000).
10. Н.Ф. Мотт, Переходы металл–изолятор, Наука, Москва (1979).
11. S. Zvyagin, H. Schwenk, B. Lüthi, K.V. Kamenev, G. Balakrishnan, D. McK. Paul,
V.I. Kamenev, Yu.G. Pashkevich, Phys. Rev. B62, R6104 (2000).
Физика и техника высоких давлений 2015, том 25, № 1–2
30
V.T. Dovgii, A.I. Linnik, V.I. Kamenev, V.Yu. Tarenkov, S.L. Sidorov, B.M. Todris,
V.I. Mikhaylov, N.V. Davydeiko, T.A. Linnik, Yu.F. Popov, A.M. Balbashov
PECULIARITIES OF PULSE AND QUASI-STATIC REMAGNETIZATION
AND RELAXATION PROPERTIES OF THE Nd0.5Sr0.5MnO3 SINGLE
CRYSTAL
The hysteresis features of reversal magnetisation of the Nd0.5Sr0.5MnO3 single crystal are
investigated at remagnetizing in quasistatic and pulse magnetic field. The relaxation of the
magnetization and the resistance after the influence of strong magnetic field are studied too.
It is shown that the relaxation curves are approximated by two exponents with the different
time constants that are related to the relaxation of metastable ferromagnetic (FM) phase to
two different antiferromagnetic (AFM) crystal structures (Imma and p21/m). At low tempera-
tures (< 150 K), the mechanism of phase transitions: antiferromagnetic insulating ↔ ferro-
magnetic metallic phases (AFM/I ↔ FM/M) and the existence of a high-conductivity state
of the sample after the removing of the magnetizing field is offered. The mechanism is de-
termined by the magnetic field induced structure transition (due to magnetostriction) and
slow relaxation of the FM-phase of larger volume to the equilibrium AFM-lattice of smaller
volume after removing of the field. It is shown that at pulse remagnetization at the tem-
perature of 18 K, the time of AFM/I → FM/M phase transition is lower by 6–7 orders of
magnitude than the time of realization of the FM/M → AFM/I phase transition.
Keywords: manganites, magnetization, resistance, phase transitions, charge and orbital
ordering, relaxation
Fig. 1. Field dependences of magnetization M(H) and resistivity ρ(H) (in the inset) of the
Nd0.5Sr0.5MnO3 single crystal at the temperature of 10 K in a quasi-static field (curves 1–
4) and at a temperature of 18 K in a pulsed field (curves 5–7): 1, 2 and 3 represent hys-
teresis at successive magnetization and demagnetization in the field up to 3, 6 and 8(9) Т,
respectively; 4 and 5 are the curves of magnetization of the sample of equilibrium
(AFM/I) state in quasistatic and pulse field, respectively; 6 is the curve of magnetization
of the sample with partially retained non-equilibrium phase FM/M; 7 is the curve of re-
versal magnetization of the sample under the FM/I → FM/M phase transition
Fig. 2. T–Н diagram of the Nd0.5Sr0.5MnO3 single crystal in the pulse field: the dashed line is
the phase transition boundary AFM/I in the quasi-static field [8]; diagonal hatching marks the
critical fields of the phase transition under pulse reversal magnetization (□ marks the AFM/I →
→ FM/M transition, ○ marks FM/M → AFM/I one); cross-hatching presents the quasistatic one
Fig. 3. Temperature dependences of magnetization M(T) of the Nd0.5Sr0.5MnO3 single crystal
in the field of 0.5 T: 1 – 24 h after removal of 8 T field; 2 – immediately after a decrease in
the field from 8 to 0.5 T. The relaxation curve of the initial area of the M(T) dependence is
shown in the inset (indicated by a rectangle) (M = M0 + M1exp(–t/τ1), τ = 9.7 min)
Fig. 4. Temperature dependence of the resistivity ρ(T) of the Nd0.5Sr0.5MnO3 single
crystal. The relaxation curve of the initial area of the ρ(T) dependence is shown in the
inset (selected by a rectangle) (ρ = A1 exp(τ/t), τ = 8 min)
Fig. 5. Specific magnetization М(t) relaxation curves of the Nd0.5Sr0.5MnO3 single crystal
after a decrease in the field from 8 to 0.5 T at the temperature, K: 1 – 20, 2 – 30, 3 – 40. Solid
curves are the expansion to exponents by expression M = M0 + M1exp(–t/τ1) + M2exp(–t/τ2)
|