Исследование магнитной структуры Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ методом антиферромагнитного резонанса
Исследовано влияние замещения ионов Nd³⁺ ионами Dy³⁺ на резонансные свойства Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ . При помощи метода АФМР обнаружен магнитный спин-переориентационный фазовый переход легкая ось– легкая плоскость, обусловленный конкурирующими обменными взаимодействиями Nd–Fe и Dy–Fe, и изучены ч...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Физика низких температур |
|---|---|
| Datum: | 2014 |
| Hauptverfasser: | , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
2014
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/119533 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Исследование магнитной структуры Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ методом антиферромагнитного резонанса / М.И. Кобец, К.Г. Дергачев, Е.Н. Хацько, С.Л. Гнатченко, Л.Н. Безматерных, И.А. Гудим // Физика низких температур. — 2014. — Т. 40, № 7. — С. 810-816. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-119533 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Кобец, М.И. Дергачев, К.Г. Хацько, Е.Н. Гнатченко, С.Л. Безматерных, Л.Н. Гудим, И.А. 2017-06-07T08:32:53Z 2017-06-07T08:32:53Z 2014 Исследование магнитной структуры Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ методом антиферромагнитного резонанса / М.И. Кобец, К.Г. Дергачев, Е.Н. Хацько, С.Л. Гнатченко, Л.Н. Безматерных, И.А. Гудим // Физика низких температур. — 2014. — Т. 40, № 7. — С. 810-816. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 0132-6414 PACS 75.50.Ee, 76.50.+g, 76.30.–v https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/119533 Исследовано влияние замещения ионов Nd³⁺ ионами Dy³⁺ на резонансные свойства Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ . При помощи метода АФМР обнаружен магнитный спин-переориентационный фазовый переход легкая ось– легкая плоскость, обусловленный конкурирующими обменными взаимодействиями Nd–Fe и Dy–Fe, и изучены частотно-полевые зависимости спектра АФМР до и после фазового перехода. Показано, что при температуре 4,2 К вдоль направления Н||с обнаруженные резонансные спектры являются модами АФМР железа, а их частотно-полевые зависимости соответствуют легкоосной (Н < 15 кЭ) и легкоплоскостной (Н > 16 кЭ) магнитным структурам с энергетической щелью возбуждения магнонов соответственно 77,2 и 100,3 ГГц. Величины эффективной магнитной анизотропии, формирующие эти щели, равны соответствен- но 0,7 и 1,2 кЭ. Замещение ионами Dy³⁺ кристалла Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ в парамагнитной области приводит к образованию дополнительного статического внутреннего поля за счет поляризации, что приводит к сдвигу резонансного поля линии поглощения ЭПР и изменению величины g-фактора ионов Fe³⁺. Вивчено вплив заміщення іонів Nd³⁺ іонами Dy³⁺ на резонансні властивості Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄. За допомогою методу АФМР виявлено магнітний спін-переорієнтаційний фазовий перехід легка вісь–легка площина, зумовлений конкуруючими обмінними взаїмодіями Nd–Fe та Dy–Fe, і вивчено частотно- польові залежності спектра АФМР до та після фазового переходу. Показано, що при температурі 4,2 К вздовж напрямку Н||с виявлені резонансні спектри є модами АФМР заліза, а їх частотно-польові залежності відповідають легковісній (Н < 15 кЕ) та легкоплощинній (Н > 16 кЕ) магнітним структурам з енергетичною щілиною збудження магнонів відповідно 77,2 і 100,3 ГГц. Величина ефективної магнітної анізотропії, яка формує ці щілини, дорівнює 0,7 і 1,2 кЕ. Заміщення іонами Dy³⁺ кристала Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ в парамагнітній області призводить до створення допоміжного статичного внутрішнього поля за рахунок поляризації, що призводить до зміщення резонансного поля лінії поглинання ЕПР і зміни величини g-фактора іонів Fe³⁺. The influence of substitution of Dy³⁺ ions for Nd³⁺ ones on the magnetic properties of the Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ single crystal was investigated. The resonance studies were carried out in a wide range of frequencies 40–145 GHz and external magnetic fields 0–75 kOe. We have detected a magnetic spin-reorientation easy axis–easy plane phase transition magnetic field Hcr = 15.85 kOe and studied the frequency-field dependence of the AFMR spectrum before and after the phase transition, at T = 4.2 K. The resonance spectra observed along the direction of H||c are antiferromagnetic resonance modes of iron at a T = 4.2 K. Their frequency-field dependences correspond to the easy-axis (H < 15 kOe) and easyplane (H > 16 kOe) magnetic structures with energy gaps of magnon excitation of 77.2 and 100.3 GHz, respectively. The effective magnetic anisotropy, that forms these energy gaps is equal to 0.7 and 1.2 kOe. The doping Dy³⁺ ions of the Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ single crystal produce to a static internal field, which shifts the resonance field of the ESR absorption line and changes the value of g factor of the Fe³⁺ ions due to polarization in the paramagnetic region. Авторы выражают благодарность Г.А. Звягиной за полезные обсуждения работы. ru Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України Физика низких температур Низкотемпеpатуpный магнетизм Исследование магнитной структуры Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ методом антиферромагнитного резонанса AFM resonance study into magnetic structure of Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Исследование магнитной структуры Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ методом антиферромагнитного резонанса |
| spellingShingle |
Исследование магнитной структуры Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ методом антиферромагнитного резонанса Кобец, М.И. Дергачев, К.Г. Хацько, Е.Н. Гнатченко, С.Л. Безматерных, Л.Н. Гудим, И.А. Низкотемпеpатуpный магнетизм |
| title_short |
Исследование магнитной структуры Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ методом антиферромагнитного резонанса |
| title_full |
Исследование магнитной структуры Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ методом антиферромагнитного резонанса |
| title_fullStr |
Исследование магнитной структуры Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ методом антиферромагнитного резонанса |
| title_full_unstemmed |
Исследование магнитной структуры Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ методом антиферромагнитного резонанса |
| title_sort |
исследование магнитной структуры nd₀,₇₅dy₀,₂₅fe₃(bo₃)₄ методом антиферромагнитного резонанса |
| author |
Кобец, М.И. Дергачев, К.Г. Хацько, Е.Н. Гнатченко, С.Л. Безматерных, Л.Н. Гудим, И.А. |
| author_facet |
Кобец, М.И. Дергачев, К.Г. Хацько, Е.Н. Гнатченко, С.Л. Безматерных, Л.Н. Гудим, И.А. |
| topic |
Низкотемпеpатуpный магнетизм |
| topic_facet |
Низкотемпеpатуpный магнетизм |
| publishDate |
2014 |
| language |
Russian |
| container_title |
Физика низких температур |
| publisher |
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
AFM resonance study into magnetic structure of Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ |
| description |
Исследовано влияние замещения ионов Nd³⁺ ионами Dy³⁺ на резонансные свойства Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ .
При помощи метода АФМР обнаружен магнитный спин-переориентационный фазовый переход легкая ось– легкая плоскость, обусловленный конкурирующими обменными взаимодействиями Nd–Fe и Dy–Fe,
и изучены частотно-полевые зависимости спектра АФМР до и после фазового перехода. Показано, что при
температуре 4,2 К вдоль направления Н||с обнаруженные резонансные спектры являются модами АФМР
железа, а их частотно-полевые зависимости соответствуют легкоосной (Н < 15 кЭ) и легкоплоскостной
(Н > 16 кЭ) магнитным структурам с энергетической щелью возбуждения магнонов соответственно 77,2 и
100,3 ГГц. Величины эффективной магнитной анизотропии, формирующие эти щели, равны соответствен-
но 0,7 и 1,2 кЭ. Замещение ионами Dy³⁺
кристалла Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ в парамагнитной области приводит к образованию дополнительного статического внутреннего поля за счет поляризации, что приводит к
сдвигу резонансного поля линии поглощения ЭПР и изменению величины g-фактора ионов Fe³⁺.
Вивчено вплив заміщення іонів Nd³⁺ іонами Dy³⁺ на резонансні властивості Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄. За
допомогою методу АФМР виявлено магнітний спін-переорієнтаційний фазовий перехід легка вісь–легка
площина, зумовлений конкуруючими обмінними взаїмодіями Nd–Fe та Dy–Fe, і вивчено частотно-
польові залежності спектра АФМР до та після фазового переходу. Показано, що при температурі 4,2 К
вздовж напрямку Н||с виявлені резонансні спектри є модами АФМР заліза, а їх частотно-польові
залежності відповідають легковісній (Н < 15 кЕ) та легкоплощинній (Н > 16 кЕ) магнітним структурам з
енергетичною щілиною збудження магнонів відповідно 77,2 і 100,3 ГГц. Величина ефективної магнітної
анізотропії, яка формує ці щілини, дорівнює 0,7 і 1,2 кЕ. Заміщення іонами Dy³⁺
кристала
Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ в парамагнітній області призводить до створення допоміжного статичного
внутрішнього поля за рахунок поляризації, що призводить до зміщення резонансного поля лінії поглинання ЕПР і зміни величини g-фактора іонів Fe³⁺.
The influence of substitution of Dy³⁺ ions for
Nd³⁺ ones on the magnetic properties of the
Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ single crystal was investigated.
The resonance studies were carried out in a wide
range of frequencies 40–145 GHz and external magnetic
fields 0–75 kOe. We have detected a magnetic
spin-reorientation easy axis–easy plane phase transition
magnetic field Hcr = 15.85 kOe and studied the
frequency-field dependence of the AFMR spectrum
before and after the phase transition, at T = 4.2 K.
The resonance spectra observed along the direction
of H||c are antiferromagnetic resonance modes of
iron at a T = 4.2 K. Their frequency-field dependences
correspond to the easy-axis (H < 15 kOe) and easyplane
(H > 16 kOe) magnetic structures with energy
gaps of magnon excitation of 77.2 and 100.3 GHz, respectively.
The effective magnetic anisotropy, that
forms these energy gaps is equal to 0.7 and 1.2 kOe.
The doping Dy³⁺ ions of the Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄
single crystal produce to a static internal field, which
shifts the resonance field of the ESR absorption line
and changes the value of g factor of the Fe³⁺ ions due
to polarization in the paramagnetic region.
|
| issn |
0132-6414 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/119533 |
| citation_txt |
Исследование магнитной структуры Nd₀,₇₅Dy₀,₂₅Fe₃(BO₃)₄ методом антиферромагнитного резонанса / М.И. Кобец, К.Г. Дергачев, Е.Н. Хацько, С.Л. Гнатченко, Л.Н. Безматерных, И.А. Гудим // Физика низких температур. — 2014. — Т. 40, № 7. — С. 810-816. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT kobecmi issledovaniemagnitnoistrukturynd075dy025fe3bo34metodomantiferromagnitnogorezonansa AT dergačevkg issledovaniemagnitnoistrukturynd075dy025fe3bo34metodomantiferromagnitnogorezonansa AT hacʹkoen issledovaniemagnitnoistrukturynd075dy025fe3bo34metodomantiferromagnitnogorezonansa AT gnatčenkosl issledovaniemagnitnoistrukturynd075dy025fe3bo34metodomantiferromagnitnogorezonansa AT bezmaternyhln issledovaniemagnitnoistrukturynd075dy025fe3bo34metodomantiferromagnitnogorezonansa AT gudimia issledovaniemagnitnoistrukturynd075dy025fe3bo34metodomantiferromagnitnogorezonansa AT kobecmi afmresonancestudyintomagneticstructureofnd075dy025fe3bo34 AT dergačevkg afmresonancestudyintomagneticstructureofnd075dy025fe3bo34 AT hacʹkoen afmresonancestudyintomagneticstructureofnd075dy025fe3bo34 AT gnatčenkosl afmresonancestudyintomagneticstructureofnd075dy025fe3bo34 AT bezmaternyhln afmresonancestudyintomagneticstructureofnd075dy025fe3bo34 AT gudimia afmresonancestudyintomagneticstructureofnd075dy025fe3bo34 |
| first_indexed |
2025-11-25T20:35:28Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:35:28Z |
| _version_ |
1850526219453333504 |
| fulltext |
Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2014, т. 40, № 7, c. 810–816
Исследование магнитной структуры
Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 методом антиферромагнитного
резонанса
М.И. Кобец, К.Г. Дергачев, Е.Н. Хацько, С.Л. Гнатченко
Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины
пр. Ленина, 47, г. Харьков, 61103, Украина
E-mail: khatsko@ilt.kharkov.ua
Л.Н. Безматерных, И.А. Гудим
Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения РАН
Академгородок, 50, строение № 38 б, г. Красноярск, 660036, Россия
Статья поступила в редакцию 25 июля 2013 г., после переработки 8 августа 2013 г., опубликована онлайн 21 мая 2014 г.
Исследовано влияние замещения ионов Nd3+ ионами Dy3+ на резонансные свойства Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4.
При помощи метода АФМР обнаружен магнитный спин-переориентационный фазовый переход легкая ось–
легкая плоскость, обусловленный конкурирующими обменными взаимодействиями Nd–Fe и Dy–Fe,
и изучены частотно-полевые зависимости спектра АФМР до и после фазового перехода. Показано, что при
температуре 4,2 К вдоль направления Н||с обнаруженные резонансные спектры являются модами АФМР
железа, а их частотно-полевые зависимости соответствуют легкоосной (Н < 15 кЭ) и легкоплоскостной
(Н > 16 кЭ) магнитным структурам с энергетической щелью возбуждения магнонов соответственно 77,2 и
100,3 ГГц. Величины эффективной магнитной анизотропии, формирующие эти щели, равны соответствен-
но 0,7 и 1,2 кЭ. Замещение ионами Dy3+ кристалла Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 в парамагнитной области приво-
дит к образованию дополнительного статического внутреннего поля за счет поляризации, что приводит к
сдвигу резонансного поля линии поглощения ЭПР и изменению величины g-фактора ионов Fe3+.
Вивчено вплив заміщення іонів Nd3+ іонами Dy3+ на резонансні властивості Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4. За
допомогою методу АФМР виявлено магнітний спін-переорієнтаційний фазовий перехід легка вісь–легка
площина, зумовлений конкуруючими обмінними взаїмодіями Nd–Fe та Dy–Fe, і вивчено частотно-
польові залежності спектра АФМР до та після фазового переходу. Показано, що при температурі 4,2 К
вздовж напрямку Н||с виявлені резонансні спектри є модами АФМР заліза, а їх частотно-польові
залежності відповідають легковісній (Н < 15 кЕ) та легкоплощинній (Н > 16 кЕ) магнітним структурам з
енергетичною щілиною збудження магнонів відповідно 77,2 і 100,3 ГГц. Величина ефективної магнітної
анізотропії, яка формує ці щілини, дорівнює 0,7 і 1,2 кЕ. Заміщення іонами Dy3+ кристала
Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 в парамагнітній області призводить до створення допоміжного статичного
внутрішнього поля за рахунок поляризації, що призводить до зміщення резонансного поля лінії погли-
нання ЕПР і зміни величини g-фактора іонів Fe3+.
PACS: 75.50.Ee Антиферромагнетики;
76.50.+g Ферромагнитный, антиферромагнитный и ферримагнитный резонансы; спин-волновой
резонанс;
76.30.–v Электронный парамагнитный резонанс и релаксация.
Ключевые слова: антиферромагнетик, резонанс, мультиферроик, электронный парамагнитный резонанс.
© М.И. Кобец, К.Г. Дергачев, Е.Н. Хацько, С.Л. Гнатченко, Л.Н. Безматерных, И.А. Гудим, 2014
Исследование магнитной структуры Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 методом антиферромагнитного резонанса
В настоящее время проводятся интенсивные исследо-
вания магнитных, электрических и магнитоэлектриче-
ских свойств редкоземельных ферроборатов RFe3(BO3)4,
которые относятся к тригональной пространственной
группе R32. В этих системах существуют одновремен-
но две взаимодействующие упорядоченные подсисте-
мы: магнитная и электрическая [1–4]. Спины ионов
Fe3+ упорядочиваются антиферромагнитно при темпе-
ратурах 30–40 К, а на их взаимную ориентацию влияет
парамагнитная подсистема редкоземельных ионов R.
Обменное взаимодействие между R–Fe, в зависимости
от анизотропии редкоземельных ионов, стабилизирует
либо легкоплоскостные магнитные состояния в плос-
кости ab кристалла, либо одноосные состояния вдоль
оси с [5–8]. В нецентросимметричных редкоземельных
ферроборатах RFe3(BO3)4 путем замещения редкозе-
мельных ионов другими изовалентными ионами мож-
но значительно изменять как их магнитные и электри-
ческие свойства, так и связь между ними. Конкуренция
магнитной анизотропии замещенных редкоземельных
ионов может приводить к появлению как спонтанных,
происходящих при изменении температуры, так и ин-
дуцированных магнитным полем спин-переориента-
ционных магнитных фазовых переходов [9–14].
К настоящему времени накоплен значительный экс-
периментальный материал по исследованию замещен-
ных ферроборатов, в частности Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4.
Авторы работ [9–11] изучали температурные и по-
левые зависимости магнитной восприимчивости, на-
магниченности и теплоемкости смешанного соеди-
нения Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4. Они наблюдали спин-
переориентационные переходы по магнитному полю и
температуре. Экспериментальные результаты незначи-
тельно отличаются друг от друга, но все они подтвер-
ждают сложность поведения магнитных подсистем дан-
ного кристалла во внешнем магнитном поле при низких
температурах. В работе [12] наиболее детально изучены
низкотемпературные магнитные фазовые переходы при
использовании ультразвуковой методики, построена
фазовая Н–Т-диаграмма. В процессе резонансных изме-
рений выяснилось, что полученные нами результаты
хорошо коррелируют с данными работы [12].
Для исследования спиновых колебаний в мульти-
ферроиках весьма эффективно применяются методики
комбинационного, бриллюэновского рассеяния света,
метод антиферромагнитного резонанса (АФМР) и др.
В работах [13,14] методом антиферромагнитного ре-
зонанса исследованы системы YFe3(BO3)4–GdFe3(BO3)4–
Y0,5Gd0,5Fe3(BO3)4 и ErFe3(BO3)4–Er0,75Tb0,25Fe3(BО3)4,
в которых обнаружены моды АФМР подсистемы ио-
нов Fe3+. Выявлены сильные зависимости частот от
характера магнитной анизотропии редкоземельных
ионов и их обменных взаимодействий с Fe-под-
системой. Определены основные параметры магнит-
ных взаимодействий.
Цель настоящей работы — исследование влияния
замещения ионов Nd3+ ионами Dy3+ на резонансные
свойства Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 с помощью метода ан-
тиферромагнитного резонанса в широком диапазоне
частот, температур и внешних магнитных полей. Маг-
нитные и резонансные свойства такого ферробората,
по-видимому, определяются как антиферромагнитной
Fe-подсистемой, так и парамагнитными редкоземель-
ными ионами двух типов (Nd3+, Dy3+), которые нахо-
дятся и во внешнем магнитном поле, и в обменном
поле спинов Fe3+. Литературные данные о резонанс-
ных исследованиях такого соединения отсутствуют.
Ранее в работе [15] нами были изучены резонанс-
ные свойства кристалла NdFe3(BO3)4 в упорядоченном
состоянии. Подробное исследование частотно-полевых
зависимостей АФМР позволило заключить, что маг-
нитные моменты Nd и Fe лежат в базисной плоскости
аb, а обнаруженные резонансные моды соответствуют
колебаниям антиферромагнитной структуры с анизо-
тропией типа «легкая плоскость» со слабой анизотро-
пией в базисной плоскости кристалла, и определить
эффективные магнитные параметры (величины энерге-
тических щелей и магнитной анизотропии), описы-
вающие магнитную структуру NdFe3(BO3)4.
В кристалле DyFe3(BO3)4 магнитные моменты Fe3+ и
Dy3+ ориентированы вдоль тригональной оси с — лег-
коосный антиферромагнетик тригональной симметрии.
Выясним, как изменяется магнитная структура и эф-
фективные магнитные параметры при замещении Nd3+
на Dy3+ в NdFe3(BO3)4.
Исследования резонансных свойств соединения
Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 проведены на стандартном ра-
диоспектрометре прямого усиления в стационарных
магнитных полях до 75 кЭ. Резонансное поглощение
возбуждалось перпендикулярно поляризованным СВЧ
излучением. Для измерений использовали образцы
размерами примерно 2×3×2 мм, выращенные по техно-
логии, описанной в [16]. Ориентировались образцы
рентгеновским методом.
На рис. 1 приведена фазовая Н–Т-диаграмма для
ориентации поля Н||с (ось z), которая взята из работы
[12]. На этой диаграмме линии 2 и 3 трактуются как
линии ориентационных магнитных фазовых перехо-
дов. Авторы работ [9–14] утверждают, что соединение
Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 ниже ТN = 32 К (линия 1) до ли-
нии фазового перехода 2 имеет легкоплоскостную маг-
нитную структуру. В интервале температур 26–16 К
существует промежуточная фаза с неизвестной маг-
нитной структурой. При температурах ниже линии
перехода 3 исследуемая система находится в низко-
температурной легкоосной магнитной фазе.
Первые резонансные измерения проведены на низ-
ких частотах при температуре 4,2 К. На рис. 2 пред-
ставлены полевые записи вида спектра для нескольких
частот. Видно, что на частоте 40,07 ГГц резонансный
Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2014, т. 40, № 7 811
М.И. Кобец, К.Г. Дергачев, Е.Н. Хацько, С.Л. Гнатченко, Л.Н. Безматерных, И.А. Гудим
спектр отсутствует, а наблюдается двухступенчатая
аномалия в виде скачков, которые близки по магнит-
ному полю и имеют гистерезисный характер. Величи-
ны магнитных полей, при которых происходят скачки
(Н1 = 14,920 кЭ, Н2 = 15,850 кЭ), соответствуют спин-
переориентационному магнитному фазовому переходу
через промежуточную фазу. Ориентационный переход
является переходом первого рода. Величина промежу-
точной фазы по магнитному полю в нашем экспери-
менте равна 930 Э.
Считается, что наблюдаются спин-переориента-
ционные переходы, при которых легкоосная магнитная
структура становится легкоплоскостной. На высоких
частотах скачки несколько видоизменяются, но возни-
кают в тех же магнитных полях, что подтверждает вер-
сию о фазовых переходах. При понижение температу-
ры до 1,7 К величина полей переходов, в пределах
погрешности, не изменяется.
Во всем диапазоне измерительных частот в магнитном
поле до 50 кЭ при его ориентации Н⊥с спин-переори-
ентационный фазовый переход отсутствует (см. рис. 2).
На основании этих измерений можно утверждать,
что в кристалле Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 происходит пе-
рестройка магнитной структуры под действием маг-
нитного поля, т.е. для направления Н||с существует
спин-переориентационный фазовый переход через
промежуточную фазу при низких (4,2 К) и сверхнизких
(1,7 К) температурах. В работах [9–14] предполагается,
что в самой низкотемпературной области фазовой диа-
граммы существует легкоосная магнитная структура.
Для подтверждения этих выводов сделана попытка
экспериментально обнаружить спектр АФМР и полу-
чить его частотно-полевые зависимости вдоль оси с.
На рис. 3 приведен вид спектра АФМР и его транс-
формация с изменением частоты в магнитном поле.
Видно, что в поле до 15 кЭ наблюдаются две ветви
колебаний, которые сходятся в нулевом магнитном
поле при частоте возбуждения магнонов 77,2 ГГц.
Рис. 1. Фазовая Н–Т-диаграмма Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 [12]
(см. текст).
Рис. 2. Полевые записи спектра кристалла Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4
для различных частот (Н || с, T = 4,2 К).
Рис. 3. Спектр АФМР соединения Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 и его
трансформация с изменением частоты и магнитного поля для
легкоосной магнитной структуры (Н || с, Т = 4,2 К).
Рис. 4. Спектр АФМР кристалла Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 для маг-
нитной структуры типа «легкая плоскость» (Н || с, Т = 4,2 К).
Звездочками обозначены пики, использованные для построе-
ния частотно-полевой диаграммы на рис. 5, при Н > 16 кЭ.
812 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2014, т. 40, № 7
Исследование магнитной структуры Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 методом антиферромагнитного резонанса
В магнитных полях, отличных от нуля, ветви изменяют
свои частоты прямо пропорционально напряженности
внешнего магнитного поля.
Вид спектра АФМР в интервале полей, превышающих
16 кЭ, для Н || с показан на рис. 4. Наблюдаются очень
широкие линии, структуру которых сложно интерпре-
тировать. Отметим, что наши рассуждения справед-
ливы для двухподрешеточного антиферромагнетика,
тогда как реально система Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 мно-
гоподрешеточная, элементарная ячейка содержит маг-
нитные ионы разных сортов. Такие факторы, как высокая
частота возбуждения, большое количество подрешеток и
возможное образование кластеров, может привести к на-
блюдению резонансных линий со сложной структурой.
Частотно-полевые зависимости для Н || с линейны и
удовлетворительно описываются уравнением для од-
ноосных антиферромагнетиков 1,2 2/ e aH H Hϑ =γ ±
(рис. 5). Это означает, что вектор антиферромагнетиз-
ма l || с. Исходя из величины обменного взаимодействия
(540 кЭ) и экспериментально найденной нами величи-
ны энергетической щели (77,2 ГГц), определена вели-
чина эффективной анизотропии HA = 0,7 кЭ.
Для ориентации магнитного поля вдоль оси а (Н || а ⊥ l)
при температуре эксперимента 4,2 К обнаружена ветвь
АФМР, которая квадратично зависит от величины
внешнего магнитного поля. В нулевом поле энергия
возбуждения АФМР равна 77,2 ГГц. Частотно-полевые
зависимости этой моды показаны на рис. 5. Других
резонансных полос не наблюдается, а поведение спек-
тра АФМР в магнитном поле до 15 кЭ соответствует
одноосной магнитной структуре с легкой осью анизо-
тропии, параллельной главной оси кристалла (ось с).
Наблюдение спектра АФМР для одноосной магнит-
ной структуры ограничено линией фазового перехода 3
на фазовой диаграмме (см. рис. 1).
В магнитных полях, больших 16 кЭ, при температу-
ре 4,2 К обе ветви, характерные для коллинеарной од-
ноосной структуры, исчезают, а вместо них появляется
ветвь с начальным расщеплением в нулевом магнит-
ном поле 100,3 ГГц (рис. 5). Величина анизотропии,
формирующая эту щель, равна 1,2 кЭ. Частота возбуж-
дения ветви АФМР квадратично увеличивается с рос-
том магнитного поля.
Для магнитного поля (Н ⊥ с), лежащего в базисной
плоскости, фазовый спин-переориентационный переход в
доступных внешних полях при температуре 4,2 К отсут-
ствует (рис. 2), поэтому и спектр АФМР не наблюдается.
Таким образом, как видно на рис. 5, в замещенном
Dy3+ ферроборате NdFe3(BO3)4 в диапазоне магнитных
полей 15 кЭ > Н > 16 кЭ при Т = 4,2 К и ориентации
Н || с наблюдаются сильно отличающиеся частотно-
полевые зависимости АФМР, которые свидетельству-
ют об индуцированном магнитным полем спин-пере-
ориентационном фазовом переходе из легкоосного в
легкоплоскостное магнитное состояние.
Согласно фазовой диаграмме, легкоосная магнитная
структура сохраняется от 1,7 до 16 К. При повышении
температуры до 16 К экспериментально наблюдается
уменьшение поля спин-флоп перехода, что не харак-
терно для одноосных антиферромагнетиков. При этом
наблюдение АФМР осложняется, так как поле фазово-
го перехода уменьшается с возрастанием температуры,
а диапазон возбуждения мод АФМР сокращается.
Заметим, что критическое поле спин-флоп перехода
может уменьшаться с возрастанием температуры вслед-
ствие уменьшения суммарной эффективной константы
анизотропии соединения, что может свидетельствовать
о неустойчивости коллинеарной фазы с ростом темпера-
туры, тогда как параллельная восприимчивость растет.
Известно [10–14], что в температурном диапазоне
16–26 К магнитная структура Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4
не определена. Можно предположить, что это проме-
жуточная фаза между двумя магнитными фазовыми
переходами, хотя температурный интервал для проме-
жуточной фазы немного больше обычного. В резо-
нансных измерениях (температура 4,2 К) интервал по
магнитному полю между двумя скачками всего 930 Э
и вполне соответствует промежуточной фазе при фазо-
вом переходе первого рода. К сожалению, антиферро-
магнитный резонанс не дает однозначного ответа на
этот вопрос при температуре 16–26 К. В этом темпера-
турном интервале наблюдаются очень широкие линии,
которые нельзя определить и построить частотно-
полевые зависимости.
Мы считаем, что результаты работы [17] и наши ре-
зонансные измерения показывают, что при температу-
ре 4,2 К и Н = 0 подсистема ионов Fe3+ находится в
коллинеарной фазе. В резонансных измерениях при
увеличении внешнего магнитного поля наблюдается
двухступенчатая аномалия в виде резких скачков, ко-
торые совпадают по величине магнитного поля со
скачками намагниченности. Согласно анализу, скачки
обусловлены переходом из коллинеарной фазы во
Рис. 5. Частотно-полевая диаграмма спектров АФМР кри-
сталла Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 для легкоосной и легкоплоско-
стной магнитной структуры (Н||с и Н⊥с, Т = 4,2 К).
Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2014, т. 40, № 7 813
М.И. Кобец, К.Г. Дергачев, Е.Н. Хацько, С.Л. Гнатченко, Л.Н. Безматерных, И.А. Гудим
флоп-фазу железной подсистемы и сопровождаются
переориентацией магнитных моментов подрешеток
ионов Nd3+ и Dy3+ вдоль направления поля Н || с.
Расчет магнитных фаз, выполненный в работе [17],
и экспериментальные результаты подтверждают по-
явление промежуточного состояния между коллине-
арной и флоп-фазой, которое реализуется в две ста-
дии. Первый скачок связан с отклонением магнитных
моментов железа от оси с на угол порядка 25°–30°, при
этом реализуется неколлинеарная антиферромагнитная
фаза. Второй скачок связан с переориентацией желез-
ной подсистемы из промежуточной фазы во флоп-фазу
с переориентацией магнитных моментов подрешеток
ионов Nd3+ и Dy3+.
Причина появления такого промежуточного со-
стояния — конкуренция вкладов в полную магнит-
ную анизотропию железной и редкоземельной под-
систем Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4, поскольку анизотропия
железной и неодимовой подсистем стабилизирует
легкоплоскостную магнитную структуру, а диспро-
зиевая подсистема стабилизирует легкоосную струк-
туру. При определенных величинах магнитного поля
и значениях температуры системе энергетически вы-
годно ориентировать магнитные моменты железа под
некоторым углом к оси с. Высокая температура (20 К),
образование доменов при фазовом переходе первого рода
и отклонение магнитных моментов железа от главной
магнитной оси 25°–35° — причина уширения резонанс-
ных линий АФМР.
При температуре 26 К (температура изменяется от
4,2 К до точки Нееля) происходит смена магнитного
состояния в отсутствие магнитного поля и образование
легкоплоскостной магнитной структуры кристалла
Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 [9–14]. Спектры АФМР при ори-
ентациях внешнего поля Н || c и H ⊥ c представлены на
рис. 6. Для магнетика с анизотропией типа «легкая
плоскость» при ориентации внешнего магнитного поля
вдоль оси с (Н ⊥ l) и температуре 28 К экспериментально
наблюдается только одна антиферромагнитная мода с
щелью ∼73,15 ГГц, которая с повышением частоты
квадратично зависит от магнитного поля. Величина ани-
зотропии, формирующая эту щель, равна 0,63 кЭ. Для
магнитного поля (Н || l), лежащего в базисной плоскости,
наблюдается квазиферромагнитная мода, линейно зави-
сящая от магнитного поля Н0 (рис. 7).
Качественно поведение частотно-полевых зависи-
мостей спектра АФМР для температуры 28 К совпада-
ет с поведением спектра АФМР при температуре 4,2 К,
но с разными величинами энергии возбуждения маг-
нонов, и характерно для магнитной структуры типа
«легкая плоскость». Следовательно, наши резонансные
измерения не противоречат результатам работы [12].
Рассмотрим резонансные свойства кристалла
Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 в парамагнитной области. В об-
ласти температур 38–40 К (TN = 32 К) для ориентации
внешнего магнитного поля вдоль оси с наблюдается
широкая (∆Н = 8,5 кЭ) одиночная линия поглощения в
спектре ЭПР ионов Fe3+ с g-фактором равным 2,40.
Дальнейшее повышение температуры приводило
к сужению линии поглощения и уменьшению величины
g-фактора: gc = 2,31 при Т = 50 К. Только при темпера-
турах 77–90 К gс-фактор становится равным 2,00. Вид
спектра ЭПР для разных температур показан на рис. 8.
Рис. 6. Спектр АФМР кристалла Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 при
Т = 28 К: Н || с (а) и Н ⊥ с (б).
Рис. 7. Частотно-полевые зависимости спектра АФМР для
магнитной структуры типа «легкая плоскость» соединения
Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 при Н || c и Н || a, Т = 28 К.
814 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2014, т. 40, № 7
Исследование магнитной структуры Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 методом антиферромагнитного резонанса
В этом диапазоне температур измерение спектра ЭПР
проводилось на частотах 73,75 и 129,2 ГГц и величины
g-факторов совпадали.
Однако для ориентации внешнего магнитного поля
вдоль оси а и температуре 50 К ширина линии по-
глощения спектра ЭПР и величина g-фактора значи-
тельно меньше, чем для Н || с. Наблюдалась резонанс-
ная линия поглощения шириной ∆Н ∼ 4 кЭ и g = 2,21
(рис. 9), тогда как в чистом NdFe3(BO3)4 при темпера-
турах 50–60 К линия поглощения ионов Fe3+ соответ-
ствовала g = 2,00 [15] (см. рис. 10). Таким образом, в
одном диапазоне температур, но для разных магнитных
осей, наблюдаются линии поглощения ЭПР ионов Fe3+ с
различными величинами g-факторов: gс = 2,31, gа = 2,21,
отличными от чисто спинового состояния Fe3+.
Причиной такого несоответствия, по-видимому, яв-
ляется примесь ионов Dy3+ в NdFe3(BO3)4, так как
вклад диспрозиевой подсистемы в намагниченность
в базисной плоскости и вдоль главной оси кристалла
будет разным. Поскольку в элементарную ячейку
Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 входят магнитные ионы Fe3+,
Nd3+ и Dy3+, естественно предположить, что магнит-
ные и динамические свойства будут определяться взаи-
модействиями Fe–Fe, Fe–R. В парамагнитной области
взаимодействиями Nd–Nd и Dy–Dy можно пренебречь.
Влияние Dy3+, который имеет малый ионный радиус, но
очень большой магнитный момент, на колебания под-
системы ионов Fe3+ за счет поляризации будет сводить-
ся к созданию дополнительного статического внутрен-
него поля, которое совместно с полем анизотропии
определяет динамику железной подсистемы. Кроме того,
ион Fe3+ обладает чисто спиновым состоянием с g = 2,00,
поэтому по сдвигам резонансных линий железа в экспе-
рименте можно судить об эффективных внутренних
полях магнитных взаимодействий, создаваемых ионами
Dy3+, вдоль направлений Н || с и Н ⊥ с.
Таким образом, исследовано влияние замещения
ионов Nd3+ ионами Dy3+ на резонансные свойства
Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 в упорядоченном и парамагнит-
ном состояниях. При помощи метода АФМР обнару-
жены и изучены магнитные спин-переориентационные
фазовые переходы и частотно-полевые зависимости
спектра АФМР, обусловленные замещением. Показа-
но, что в резонансных измерениях внешним магнит-
ным полем индуцируется спин-переориентационный
фазовый переход «легкая ось»–«легкая плоскость» в
виде двухступенчатой аномалии. Эта аномалия связана
с наличием промежуточного состояния (неколлинеарная
антиферромагнитная фаза) между коллинеарной и спин-
флоп фазой в полях Н1 = 14,920 кЭ и Н2 = 15,850 кЭ при
температуре 4,2 К. Магнитный фазовый переход —
следствие конкуренции обменных взаимодействий
Nd–Fe, Dy–Fe. Уменьшение величины полей перехода
с ростом температуры свидетельствует о неустойчиво-
сти коллинеарной фазы, тогда как параллельная вос-
приимчивость растет.
Рис. 8. Спектры ЭПР кристалла Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 при
температурах 38, 50 и 90 К при Н || с.
Рис. 9. Спектр ЭПР кристалла Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 при
Т = 50 К и Н ⊥ с.
Рис. 10. Линия поглощения ЭПР кристалла NdFe3(BO3)4 при
Т = 60 К и Н || с [15].
Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2014, т. 40, № 7 815
М.И. Кобец, К.Г. Дергачев, Е.Н. Хацько, С.Л. Гнатченко, Л.Н. Безматерных, И.А. Гудим
Для ориентации внешнего магнитного поля вдоль
оси с при температуре 4,2 К частотно-полевые зависи-
мости спектра АФМР в интервале полей до 15 кЭ со-
ответствуют одноосной магнитной структуре с щелью
в спектре спиновых возбуждений 77,2 ГГц, в полях
больших 16 кЭ — легкоплоскостной с энергетической
щелью 100,3 ГГц. При высоких температурах (28 К), ко-
гда фазовый переход по магнитному полю отсутствует,
спектр АФМР (Н ⊥ l, Н || l) и его частотные зависимости
характерны для магнитной структуры с анизотропией
типа «легкая плоскость». Величины щелей возбуждения
магнонов соединения Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4 обусловле-
ны совместным действием анизотропии железной и
редкоземельной подсистем как для легкоосной, так и
легкоплоскостной магнитной структуры.
В парамагнитной области влияние замещения ионами
Dy3+ на Fe-подсистему кристалла Nd0,75Dy0,25Fe3(BO3)4
за счет поляризации приводит к возникновению допол-
нительного статического внутреннего поля, которое
сдвигает резонансное поле линии поглощения ЭПР ионов
Fe3+ и проявляется в изменении величины g-фактора
в большом интервале температур. Только при темпера-
турах порядка 90 К наблюдается чистая резонансная
линия ионов Fe3+ с g = 2,00.
Авторы выражают благодарность Г.А. Звягиной за
полезные обсуждения работы.
1. А.К. Звездин, С.С. Кротов, А.М. Кадомцева, Г.П.
Воробьев, Ю.Ф. Попов, А.П. Пятаков, Л.Н. Безматерных,
Е.Н. Попова, Письма в ЖЭТФ 81, 335 (2005).
2. А.К. Звездин, Г.П. Воробьев, А.М. Кадомцева, Ю.Ф.
Попов, А.П. Пятаков, Л.Н. Безматерных, А.В. Кувардин,
Е.А. Попова, Письма в ЖЭТФ 83, 600 (2006).
3. А.Н. Васильев, Е.А. Попова, ФНТ 32, 968 (2006) [Low
Temp. Phys. 32, 735 (2006)].
4. H. Schmid, Ferroelectrics 162, 317, (1994).
5. Е.А. Попова, Н.А. Тристан, Х. Хесс, Р. Клингелер,
Б. Бюхнер, Л.Н. Безматерных, В.Л. Темеров, А.Н.
Васильев, ЖЭТФ 132, 121 (2006).
6. E.A. Popova, E.P. Chukalina, T.N. Stanislavchuk, and L.N.
Bezmaternykh, J. Magn. Magn. Mater. 300, 440 (2006).
7. E.A. Popova, D.V. Volkov, A.N. Vasiliev, A.A. Demidov,
N.P. Kolmakova, I.A. Gudim, L.N. Bezmaternykh, N. Tristan,
Yu. Skourski, B. Büchner, C. Hess, and R. Klingeler, Phys.
Rev. B 75, 224413 (2007).
8. C. Ritter, A. Balaev, A. Vorotynov, G. Petrakovskii, D.
Velikanov, V. Temerov, and I. Gudim, J. Phys.: Condens.
Matter 19, 196227 (2007).
9. Ю.Ф. Попов, А.М. Кадомцева, Г.П. Воробьев, Ф.Ф. Мухин,
В.Ю. Иванов, А.М. Кузьменко, А.С. Прохоров, Л.Н. Без-
матерных, В.Л. Темеров, Письма в ЖЭТФ 89, 405 (2009).
10. I.A. Gudim, E.V. Eremin, and V.L. Temerov, arXiv: 0906,
2250 (2009).
11. Ф.М. Кузьменко, А.А. Мухин, В.Ю. Иванов, А.М.
Кадомцева, Л.Н. Безматерных, В.Л. Темеров, Труды
НМММ-21, Москва, 28.06–4.07 (2009), c. 958.
12. Г.А. Звягина, К.Р. Жеков, И.В. Билыч, А.А. Звягин, Л.Н.
Безматерных, И.А. Гудим, ФНТ 36, 352 (2010) [Low
Temp. Phys. 36, 279 (2010)].
13. А.И. Панкрац, Г.А. Петраковский, Л.Н. Безматерных,
В.Л. Темеров, ФТТ 50, 77 (2008).
14. А.М. Кузьменко, А.А. Мухин, В.Ю. Иванов, А.М.
Кадомцева, С.П. Лебедев, Л.Н. Безматерных, ЖЭТФ 140,
131 (2011).
15. M.I Коbets, K.G. Dergachev, E.N. Khatsko, S.L. Gnatcyenko,
L.N. Bezmaternykh, and V.L. Temerov, Physica B 406,
3430 (2011).
16. I.N. Bezmaternykh, V.I. Temerov, I.A. Gudim, and N.A.
Stolbovaya, Cryst. Rep. 50, 97 (2005).
17. А.А. Демидов, И.А. Гудим, Е.В. Еремин, ЖЭТФ 141, 294
(2012).
AFM resonance study into magnetic structure
of Nd0.75Dy0.25Fe3(BO3)4
M.I. Kobets, K.G. Dergachev, E.N. Khatsko,
S.L. Gnatchenko, L.N. Bezmaternykh, and I.A. Gudim
The influence of substitution of Dy3+ ions for
Nd3+ ones on the magnetic properties of the
Nd0.75Dy0.25Fe3(BO3)4 single crystal was investigat-
ed. The resonance studies were carried out in a wide
range of frequencies 40–145 GHz and external mag-
netic fields 0–75 kOe. We have detected a magnetic
spin-reorientation easy axis–easy plane phase transi-
tion magnetic field Hcr = 15.85 kOe and studied the
frequency-field dependence of the AFMR spectrum
before and after the phase transition, at T = 4.2 K.
The resonance spectra observed along the direction
of H || c are antiferromagnetic resonance modes of
iron at a T = 4.2 K. Their frequency-field dependences
correspond to the easy-axis (H < 15 kOe) and easy-
plane (H > 16 kOe) magnetic structures with energy
gaps of magnon excitation of 77.2 and 100.3 GHz, re-
spectively. The effective magnetic anisotropy, that
forms these energy gaps is equal to 0.7 and 1.2 kOe.
The doping Dy3+ ions of the Nd0.75Dy0.25Fe3(BO3)4
single crystal produce to a static internal field, which
shifts the resonance field of the ESR absorption line
and changes the value of g factor of the Fe3+ ions due
to polarization in the paramagnetic region.
PACS: 75.50.Ee Antiferromagnetics;
76.50.+g Ferromagnetic, antiferromagnetic,
and ferrimagnetic resonances; spin-wave reso-
nance;
76.30.–v Electron paramagnetic resonance
and relaxation.
Keywords: antiferromagnetic, resonance, multiferroics,
electron paramagnetic resonance.
816 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2014, т. 40, № 7
|