Форма линии магнитного резонанса в порошках La0,7Ba0,3MnO3 при низких температурах
The experimental study of ferromagnetic resonance (FMR) in La0.7Ba0.3MnO3 powder having the nanosize particles (~50 μm) at very low temperatures (0.35 K ≤ T ≤ 4.2 K) has been performed. The essential frustration of the FMR lineshape is revealed. The FMR-model developed by the authors earlier is the...
Gespeichert in:
| Datum: | 2007 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2007
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1873 |
| 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: | Форма линии магнитного резонанса в порошках La0,7Ba0,3MnO3 при низких температурах / В.М. Яковенко, Д.П. Белозоров, С.И. Тарапов // Доп. НАН України. — 2007. — N 1. — С. 87–93. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1873 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Яковенко, В.М. Белозоров, Д.П. Тарапов, С.И. 2008-09-03T12:38:53Z 2008-09-03T12:38:53Z 2007 Форма линии магнитного резонанса в порошках La0,7Ba0,3MnO3 при низких температурах / В.М. Яковенко, Д.П. Белозоров, С.И. Тарапов // Доп. НАН України. — 2007. — N 1. — С. 87–93. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1873 539.194 The experimental study of ferromagnetic resonance (FMR) in La0.7Ba0.3MnO3 powder having the nanosize particles (~50 μm) at very low temperatures (0.35 K ≤ T ≤ 4.2 K) has been performed. The essential frustration of the FMR lineshape is revealed. The FMR-model developed by the authors earlier is the background of the lineshape simulation. It is shown that the lineshape can be described completely by varying not more than one macroscopic parameter which is responsible for the anisotropy of the spin-system caused by the applied magnetic field. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Фізика Форма линии магнитного резонанса в порошках La0,7Ba0,3MnO3 при низких температурах Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Форма линии магнитного резонанса в порошках La0,7Ba0,3MnO3 при низких температурах |
| spellingShingle |
Форма линии магнитного резонанса в порошках La0,7Ba0,3MnO3 при низких температурах Яковенко, В.М. Белозоров, Д.П. Тарапов, С.И. Фізика |
| title_short |
Форма линии магнитного резонанса в порошках La0,7Ba0,3MnO3 при низких температурах |
| title_full |
Форма линии магнитного резонанса в порошках La0,7Ba0,3MnO3 при низких температурах |
| title_fullStr |
Форма линии магнитного резонанса в порошках La0,7Ba0,3MnO3 при низких температурах |
| title_full_unstemmed |
Форма линии магнитного резонанса в порошках La0,7Ba0,3MnO3 при низких температурах |
| title_sort |
форма линии магнитного резонанса в порошках la0,7ba0,3mno3 при низких температурах |
| author |
Яковенко, В.М. Белозоров, Д.П. Тарапов, С.И. |
| author_facet |
Яковенко, В.М. Белозоров, Д.П. Тарапов, С.И. |
| topic |
Фізика |
| topic_facet |
Фізика |
| publishDate |
2007 |
| language |
Russian |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| format |
Article |
| description |
The experimental study of ferromagnetic resonance (FMR) in La0.7Ba0.3MnO3 powder having the nanosize particles (~50 μm) at very low temperatures (0.35 K ≤ T ≤ 4.2 K) has been performed. The essential frustration of the FMR lineshape is revealed. The FMR-model developed by the authors earlier is the background of the lineshape simulation. It is shown that the lineshape can be described completely by varying not more than one macroscopic parameter which is responsible for the anisotropy of the spin-system caused by the applied magnetic field.
|
| issn |
1025-6415 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1873 |
| citation_txt |
Форма линии магнитного резонанса в порошках La0,7Ba0,3MnO3 при низких температурах / В.М. Яковенко, Д.П. Белозоров, С.И. Тарапов // Доп. НАН України. — 2007. — N 1. — С. 87–93. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT âkovenkovm formaliniimagnitnogorezonansavporoškahla07ba03mno3prinizkihtemperaturah AT belozorovdp formaliniimagnitnogorezonansavporoškahla07ba03mno3prinizkihtemperaturah AT tarapovsi formaliniimagnitnogorezonansavporoškahla07ba03mno3prinizkihtemperaturah |
| first_indexed |
2025-11-25T08:00:14Z |
| last_indexed |
2025-11-25T08:00:14Z |
| _version_ |
1850510574226505728 |
| fulltext |
УДК 539.194
© 2007
Академик НАН Украины В.М. Яковенко, Д. П. Белозоров,
С.И. Тарапов
Форма линии магнитного резонанса в порошках
La0,7Ba0,3MnO3 при низких температурах
The experimental study of ferromagnetic resonance (FMR) in La0.7Ba0.3MnO3 powder ha-
ving the nanosize particles (∼ 50µm) at very low temperatures (0.35 K 6 T 6 4.2K) has
been performed. The essential frustration of the FMR lineshape is revealed. The FMR-model
developed by the authors earlier is the background of the lineshape simulation. It is shown that
the lineshape can be described completely by varying not more than one macroscopic parameter
which is responsible for the anisotropy of the spin-system caused by the applied magnetic field.
Легированные магнитные оксидные соединения на основе Mn (манганиты) со структурой
перовскита и общей формулой R1−xAxMnO3, где R — трехвалентный редкоземельный эле-
мент (La, Y, Nd), а A — двухвалентный щелочноземельный элемент (Sr, Ca, Ba), привлекают
большое внимание исследователей как в связи с очень интересной физикой, так и в связи
с возможными широкими практическими приложениями.
Интерес к этим соединениям вызван, прежде всего, колоссальным отрицательным маг-
нитосопротивлением постоянному току, наблюдающимся в пленках манганитов. Макси-
мальная величина магнитосопротивления имеет место в пленках La0,67Ca0,33MnO3, причем
−∆ρ/ρ(H = 6T ) ∼ 105% при 77 K, а ∆ρ = ρ(H = 6T ) − ρ(H = 0) <0, ρ — удельное
сопротивление. Такое поведение манганитов обусловлено сложной перестройкой спектра
в результате легирования. Действительно, в области концентраций 0,2 6 x 6 0,5 легиро-
ванные манганиты испытывают фазовый переход из высокотемпературного парамагнитно-
го состояния с большим сопротивлением активационного типа в ферромагнитное состояние
с металлической проводимостью. Температура Кюри Tc при этом лежит вблизи комнат-
ных температур (для La0,7Ca0,3MnO3 Tc = 220–260 К, для La0,7Ba0,3MnO3, соответствен-
но, 330 К). Заметим, что температура Кюри максимальна при концентрации легирующей
примеси x ∼ 0,3, а наибольшая температура Кюри — 380 наблюдается у La0,7Sr0,3MnO3.
Именно в окрестности температуры Кюри имеет место исключительно сильное влияние
внешнего магнитного поля (порядка нескольких T ) на электросопротивление постоянному
току. По сравнению с другими металлами легированные манганаты не являются хорошими
проводниками. Действительно, их удельное сопротивление в отсутствие магнитного поля
составляет для La0,7Ca0,3MnO3 — 10−2Ω· см, а для La0,7Ba0,3MnO3 — 10−4Ω · см.
Спецификой легированных манганитов-проводников является существенная связь меж-
ду ферромагнетизмом и металлической проводимостью. Для ее объяснения был предложен
механизм двойного обмена (см., например, [1, 2]). Наряду с этим имеются многочисленные
признаки существования магнитных неоднородностей, аналогичных тем, которые существу-
ют в гранулярных магнитных системах. Зависящий от спина перенос электронов по системе
этих (металлических) магнитных кластеров и приводит к колоссальному магнитосопротив-
лению. Таким образом, изучение ФМР в ферромагнитных манганитах-проводниках позво-
ляет не только выяснить возможность использования их в приборах СВЧ [3], но также
сделать определенные выводы относительно особенностей спектра и характера магнитных
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №1 87
неоднородностей в этих веществах. Большая работа по изучению особенностей формы ли-
нии резонанса в манганитах была проведена Мэрилендской группой [4, 5] для образцов
различного типа: массивные кристаллы, пленки, порошки. Изучение этих объектов прово-
дилось в области частот до 32 ГГц и температур выше 77 К. Авторы впервые отметили
существенное уширение линии магнитного резонанса для порошков с частицами микронно-
го размера (по сравнению с пленками) и высказали мысль о том, что такая широкая линия
представляет собой суперпозицию линий от отдельных зерен. Смещение линий при этом
обусловлено анизотропией формы отдельных зерен.
Целью настоящей работы является дальнейшее изучение особенностей формы линии
ФМР порошкового образца La0,7Ba0,3MnO3 с частицами микронных размеров (∼ 50 мкм)
в области сверхнизких температур (T 6 4,2 K). Предполагается, что исследуемые образцы
представляют собой систему магнитных кластеров со случайной ориентацией магнитных
моментов. Для описания свойств ФМР в таких системах была обобщена теоретическая мо-
дель, предложенная авторами ранее [6] для описания формы линии ФМР в случайной систе-
ме магнитных моментов. В данной работе она используется для объяснения наблюдаемых
в эксперименте линий резонанса. Как оказалось, эта модель не только хорошо описывает на-
блюдаемые экспериментально линии ФМР, но и позволяет сделать выводы об особенностях
статистической системы моментов в области сверхнизких температур.
1. Методика эксперимента. Эксперименты проводились с помощью уникально-
го криомагнитного радиоспектроскопического комплекса миллиметрового диапазона длин
волн. Радиоспектрометр “БУРАН”, входящий в состав комплекса, представляет собой уни-
версальный физический инструмент, разработанный в ИРЭ НАН Украины и предназначен-
ный для исследования сверхвысокочастотного резонансного и нерезонансного поглощения
в электронной спиновой системе твердого тела при низких и очень низких температурах.
Уникальность прибора заключается в том, что он позволяет проводить измерения в очень
широких диапазонах частот — 60–150 ГГц; температур — 0,3–150 К; магнитных полей —
0–7 Тл.
Детально методика проведения эксперимента по регистрации электронного спинового
резонанса (ЭСР) на комплексе БУРАН описана, например, в [7]. В качестве эксперимен-
тальных ячеек для исследования спин-резонансных эффектов применяется набор разли-
чных резонаторов [5] квазиоптического типа.
В данном случае нами был использован двухзеркальный открытый резонатор, распо-
ложенный в камере с жидким He3 (T = 4,2–0,3 К). Образец в виде порошка помещен
в кварцевую кювету. Кювета зафиксирована на нижнем плоском зеркале и может вращать-
ся вокруг вектора статического магнитного поля (вокруг оси резонатора). Толщина кюветы
выбрана достаточно малой (много меньше длины волны), так, чтобы образец оказывал-
ся в области максимума магнитной компоненты СВЧ поля. Образец (порошок перовскита
La0,7Ba0,3MnO3) сформирован частицами с равновероятным распределением кристаллогра-
фических осей. Малая толщина образца также являлась гарантий того, что можно прене-
бречь паразитным влиянием на регистрируемый сигнал эффекта Фарадея, возникающего
при прохождении электромагнитной волны через слой магнетика. Эксперименты проводи-
лись на частоте 75 ГГц при взаимном расположении компонент постоянного и переменного
полей в соответствии с требованиями электрон-спин-резонансного эксперимента (рис. 1, б ).
2. Результаты эксперимента и теоретическое моделирование. Основные резуль-
таты экспериментов приведены на рис. 2, откуда видно, что с понижением температуры
наблюдается значительное уширение линии электронного спинового резонанса. Одновре-
88 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №1
Рис. 1. Внешний вид (а) и схема (б ) резонаторной ячейки для ЭПР исследований порошков перовскита
La0,7Ba0,3MnO3
менно нарушается и ее симметрия так, что на правом крыле линии поглощения образуется
четко выраженный выступ, смещающийся в область более высоких значений магнитного
поля. Ширина линии менялась в пределах 2–7 kOe. Как указывалось выше, такая слож-
ная форма линии может быть результатом “наложения” элементарных линий, связанных
с ФМР элементарных частичек образца.
Для описания таких сложных резонансных линий воспользуемся теорией, развитой на-
ми ранее в [6], в которой рассматривалась система, состоящая из магнитных кластеров
со случайной ориентацией магнитных моментов. Вероятность ориентации магнитного мо-
мента кластера под углом θ (0 < θ < π/2) к оси Z (направление приложенного внешнего
магнитного поля H0) дается выражением
P (θ) = C[cos θ + α(T ) sin θ], (1)
где постоянная C определяется из условия нормировки
π/2
∫
0
P (θ)dθ = 1. (2)
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №1 89
Рис. 2. Экспериментально зарегистрированная форма линии электронного спин-резонансного поглощения
и ее первая производная для образца La0,7Ba0,3MnO3 при различных значениях температуры на частоте
75 ГГц
Заметим, что состояние с θ = 0 соответствует однородной намагниченности, когда магнит-
ные моменты кластеров ориентированы вдоль оси Z. Состояние P (θ) = sin θ соответствует
однородному распределению магнитных моментов по углам. Таким образом, α(T ) харак-
теризует соотношение между двумя группами кластеров: группой, в которой магнитные
моменты имеют преимущественную ориентацию вдоль направления внешнего магнитного
поля, и группой с однородным распределением моментов по углам.
Форму индивидуальной линии поглощения считаем Лоренцовой с постоянной диссипа-
ции λ:
F [H,Hрез(θ)] ∼ F [(H − Hрез)
2 + λ2]−1 (3)
где F [H,Hрез(θ)] — спектральная плотность.
Резонансная линия поглощения сложной системы получается усреднением
I(H) ∼
π/2
∫
0
P (θ)F [H,Hрез(θ)]dθ, (4)
где I(H) — интенсивность поглощения сложной системой.
Предполагая, что резонансное поле системы принадлежит интервалу Hn 6 H 6 Hp
для Hрез, получим
Hрез = [H−2
p cos2 θ + H−2
n sin2 θ]−1/2. (5)
Здесь Hp — резонансное поле магнитных зерен (кластеров), магнитный момент которых
ориентирован вдоль оси Z; Hn — поле для зерен с моментами, лежащими в плоскости XY .
Подставляя (5) в (3) а затем в (4), получим окончательно
Hрез =
H2
p
√
H2
p/H2
n − 1
Hp
∫
Hn
dHрез
H2
рез
[(H − Hрез)2 + λ2]
·
[
1
(H2
p − H2
рез
)1/2
+
α(T )Hn/Hp
(H2
рез
− H2
n)1/2
]
. (6)
90 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №1
Рис. 3. Экспериментальные и расчетные линии электронного спинового резонанса в диапазоне температур
4,2–0,35 К при частоте 75 ГГц
Таким образом, согласно (6), форма резонансной линии сложной системы магнитных мо-
ментов — порошка — описывается в нашей модели четырьмя макроскопическими парамет-
рами: α, λ, Hp, Hn.
Первый параметр описывает магнитную “структуру” порошка, второй — процессы дис-
сипации в зернах, что же касается полей Hn и Hp, то они отражают различие резонансных
условий, связанное с асимметрией, обусловленной внешним приложенным полем H0.
В случае однородного ферромагнитного резонанса для массивного образца резонансное
поле (см., например, [8]) определяется суммой поля анизотропии (βMs, Ms — намагни-
ченность насыщения, β — константа магнитной анизотропии) и магнитного поля внутри
образца (с учетом размагничивания). Для существенно неоднородной системы (порошок)
точное определение средней эффективной намагниченности насыщения, а также полей Hn
и Hp требует решения сложной задачи динамики связанных магнитодипольным взаимо-
действием зерен с последующим усреднением по углу θ. В этом смысле мы можем говорить
лишь о том, что эти поля представляют собой макроскопические параметры, характери-
зующие степень угловой асимметрии резонансных полей для рассматриваемой системы
моментов. Такая асимметрия резонансных полей для направлений вдоль и поперек при-
ложенного магнитного поля может быть обусловлена, в частности, изменением величины
намагниченности насыщения под воздействием сильного внешнего поля.
На основе формулы (6) авторами был проведен расчет резонансных кривых, резуль-
таты которого показаны на рис. 3. Мы видим, что рассмотренная выше феноменоло-
гическая модель достаточно хорошо описывает кривые поглощения изучаемого порошка
La0,7Ba0,3MnO3. Величины макроскопических параметров, характеризующие расчетные
теоретические кривые, приведены в табл. 1.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №1 91
Рис. 4. Температурная зависимость наведенной полем асимметрии порошка, ∆H = Hp − Hn
Величина ∆H = Hp−Hn характеризует степень асимметрии системы, связанную с внеш-
ним приложенным полем.
Как видно из табл. 1, при понижении температуры параметры α и λ сохраняют посто-
янное значение, т. е. не меняется как магнитная “структура”, так и характер диссипации
для индивидуальных линий. Что же касается полей Hn и Hp, то отмечается существен-
ное изменение главным образом величины Hp. Таким образом, в рамках рассмотренной
модели изменение ширины и формы линии определяется изменением с температурой толь-
ко одного параметра — степени асимметрии системы ∆H = Hp − Hn. Как уже отмечалось
выше, такое возрастание асимметрии при понижении температуры может быть обусловлено
как температурными деформациями частиц порошка, так и изменением намагниченности
насыщения. Дальнейшее изучение роли каждого из этих факторов представляет несомнен-
ный интерес. В частности, представляет интерес связь макроскопических параметров Hn
и Hp с микроскопическими параметрами, такими как магнитный момент, форма и магнит-
ная анизотропия зерен, а также влияние дипольного взаимодействия между зернами на
величину внутреннего поля в системе. Однако эта задача выходит за рамки настоящего
исследования.
Зависимость степени асимметрии от температуры в области температур T 6 4,2 K пред-
ставлена на рис. 4. Мы видим, что в области сверхнизких температур ∆H является почти
линейной функцией температуры.
3. Таким образом, можно сделать следующие выводы.
1. Проведено экспериментальное определение линии ФМР для порошка легированного
манганита-проводника La0,7Ba0,3MnO3 в области сверхнизких температур (T 6 4,2 K). По-
казано, что при понижении температуры линия претерпевает значительное уширение, при
этом существенно меняется форма линии: она становится асимметричной с несколькими
ясно различаемыми пиками.
Таблица 1
T , K α λ
2
Hn, Т Hp, Т ∆H , мТ
4,2 2 0,02 2,15 2,30 150
1,2 2 0,02 2,10 2,60 500
0,85 2 0,02 2,10 2,75 650
0,35 2 0,02 2,15 2,85 700
92 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №1
2. Построена теоретическая модель, позволяющая описать форму линии случайной сис-
темы магнитных моментов с помощью четырех параметров α, λ, Hp, Hn. Численные расче-
ты, проведенные на основании этой модели, позволили удовлетворительно описать форму
линии, полученную экспериментально.
3. Как показано в результате вычислений, экспериментальные линии, полученные для
разных температур, описываются вариацией только одного параметра ∆H = Hp − Hn,
характеризующего степень асимметрии системы, связанной с внешним приложенным маг-
нитным полем. Обсуждаются возможные причины такого поведения. В области температур
T 6 4,2 K ∆H является линейной функцией температуры.
Авторы благодарят проф. С. Бхагата (Мэрилендский университет, США) за предоставлен-
ные образцы.
1. Горьков Л.П. Решеточные и магнитные эффекты в легированных манганитах // Усп. физ. наук. –
1998. – Вып. 168, № 6. – С. 665–671.
2. Dorr K. Ferromagnetic manganites: spin-polarized conduction versus competing interactions // J. Phys. D:
Appl. Phys. – 2006. – 39. – P. R125–R150.
3. Rinkevich A., Nosov A., Ustinov V. et al. Radiofrequency electromagnetic properties the La0.6Pb0.4MnO3
manganite under dc-biased magnetization // Ibid. – P. 2015–2018.
4. Bhagat S.M. Technical report 98–1 colossal magnetoresistance manganites. – Ferromagnetic Resonance
Group, Department of Physics, Univ Maryland, College Park, MD 20742–4111, 1998. – 298 p.
5. Ramachandran J. S., Bhagat S.M., Peng J. L. FMR of powder La0.7Ca0.3MnO3 // Solid State Comm. –
1995. – 96. – P. 127–131.
6. Belozorov D.P., Tarapov S. I. Magnetic structure of reentrant magnets near the spin-glass transition //
Low Temp. Phys. – 1996. – 22. – P. 391–393.
7. Tarapov S. Basic of high-frequency electron spin resonance experiment at very low temperatures. – Turkey,
Gebze: Publ. Center of Gebze Institute of Technology. – 2000. – 93 p.
8. Ахиезер А.И., Барьяхтар В. Г., Пелетминский С.В. Спиновые волны. – Москва: Наука, 1967. –
364 с.
Поступило в редакцию 31.07.2006Институт радиофизики и электроники
им. А.Я. Усикова НАН Украины, Харьков
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №1 93
|