Книги по разным темам Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 6 Автоколебания упорядоченной магнитной структуры й С.К. Годовиков, В.П. Петухов, Ю.Д. Перфильев, А.И. Фиров Научно-исследовательский институт ядерной физики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия Московский государственный институт им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук, 117911 Москва, Россия (Поступила в Редакцию 10 августа 1999 г.

В окончательной редакции 6 декабря 1999 г.) Впервые наблюдались автоколебания упорядоченной магнитной структуры. Они выявлены методом эффекта Мессбауэра в ферромагнитном соединении Tb0.8Y0.2Fe2 и имеют период в несколько дней. Колебания были инициированы одиночным импульсом электрического поля ( 108 kV cm-1 s-1). Предложена феноменологическая модель явления.

Работа выполнена при поддержке гранта ФУниверситеты России Ч фундаментальные исследованияФ № 5363.

Ферримагнитное соединение TbFe2 хорошо изучено конденсатора с меняющимся зазором между пластинами.

различными физическими методами. Известно, что оно Напряжение на конденсатор (16-18 kV) подавалось от обладает рекордно большими при T = 293 K магнит- высоковольтного блока питания рентгеновского излуной анизотропией и магнитострикцией [1]. Подробно чателя типа РЕИС-И. Электрический импульс с длиисследованы его мессбауэровские параметры, которые тельностью 0.3 s создавался при замыкании пласоответствуют двум магнитно неэквивалентным положе- стин конденсатора, одна из которых была заземлена.

ниям атома Fe в стурктуре RFe2. В 1997 г. в Tb0.8Y0.2Fe2 Скорость изменения электрического поля составляла (TbFe2 с немагнитной примесью Y) методом эффек- 108 kV cm-1 s-1, воздействие на образец было та Мессбауэра был обнаружен эффект долговременной однократным. Для измерений использовались мессбау(дни, месяцы) релаксации упорядоченной магнитной эровский источник Co57 в Cr и установка ФПерсейФ, которая позволяет создавать допплеровское смещение структуры [2,3]. Он выражается с том, что после объекта с точностью в 0.001 mm s-1. Необходимый действия на образец импульса магнитного поля ( 3ms, рентгеноструктурный анализ осуществлялся с использодо 250 kOe) часть моментов атомов Fe изменяет свою ориентацию, а затем медленно (дни, недели), аперио- ванием дифрактометра ДРОН-3.

дическим образом возвращается в исходное состояние. Мессбауэровские измерения (несколько серий) производились сразу после электрического воздействия на Многообразие экстремальных физических свойств этого магнетика не ограничивается, по-видимому, перечислен- образец. Время получения одного спектра составляло ным. Известно [1], что магнитная анизотропия в редкозе- 12 часов, интервал между измерениями Ч 1-2дня.

Спектр разлагается на два секстета линий с различными мельных магнетиках имеет электростатическую природу.

магнитными полями (H1 и H2), изомерными сдвигами В связи с этим в настоящей работе была предпринята попытка изучения методом эффекта Мессбауэра релакса- (1 и 2), квадрупольными расщеплениями (Q1 и Q2), ширинами линий (1 и 2) и заселенностями секстетов ционных свойств магнитной структуры Tb0.8Y0.2Fe2 под A1 и A2 (A1/A2). В обычном, традиционном преддействием импульса электрического, на этот раз поля.

ставлении электрическое воздействие никак не должно сказаться на этих параметрах, однако эксперимент по1. Методика и результаты казал обратное. На рис. 1 представлены зависимости от экспериментов времени параметров A1/A2, H1 и H2, Q1 и Q2 за период 40 дней. Начальные точки соответствуют исходному Проведенный эксперимент с электрическим воздей- состоянию образца. Отчетливо видно, что зависимость ствием имел ряд методических особенностей. Образец от времени параметра A1/A2 (а также Q2 и H2) есть представлял собой поликристаллический мессбауэров- и она носит осциллирующий характер. В начальный ский поглотитель диметром 25 и толщиной 0.2 mm, период времени (до 2 недель) период колебаний A1/Aвысаженный из взвеси порошка в клее на майларовую составляет 5 дней, затем он уменьшается до 2Ц3 дней, подложку. Все операции с образцом и измерения произ- и далее колебания приобретают не вполне регулярный, водились при T = 293 K. Диск образца, изолированный стохастический характер. Измерения невозмущенного прокладками из фторопласта толщиной 0.1 mm, зажи- образца, а также образца, подвергнутого медленному мался между обкладками специально изготовленного ( 10 min) уменьшению электрического поля, показали 8 1074 С.К. Годовиков, В.П. Петухов, Ю.Д. Перфильев, А.И. Фиров Рис. 1. Временные зависимости параметров мессбауэровских спектров Tb0.8Y0.2Fe2: A1/A2 Ч относительной заселенности секстетов, Q1 и Q2 Ч квадрупольных расщеплений, H1 и H2 Ч магнитных сверхтонких полей.

отсутствие изменений в параметрах сверхтонких взаимо- комбинированного магнитного дипольного и электричедействий. Рентгеновские измерения показали, что куби- ского квадрупольного взаимодействий, а также эффекта ческая структура Tb0.8Y0.2Fe2 при T = 293 K ромбоэдри- анизотропного сверхтонкого взаимодействия. Из рис. чески искажена и угол ромбоэдра составляет = 89.88.

очевидно, что в нормальном состоянии A1/A2 = 3, что и наблюдается исходно (рис. 1). Легко понять, как возникают отклонения от нормального состояния. Для этого 2. Обсуждение результатов должен измениться угол хотя бы одного из атомов Fe на рис. 2. Например, перескок типа 7032 0 дает Колебания на рис. 1 являются отражением впервые A1/A2 = 2 : 2 = 1, а типа 0 7032 Ч A1A2 = 4 : 0, наблюдаемого процесса автоколебаний атомной магнитт. е. ликвидацию магнитной неэквивалентности. Если деной структуры вещества. То, что они выявлены именно в фекты структуры последнего типа возникнут хотя бы данном магнетике, связано с уникальным сочетанием его в одной ячейке из трех, то это дает среднее значение структурных и магнитных свойств. Фрагмент структуры A1/A2 = 5, что близко к эксперименту (рис. 1). ОтсутTbFe2 (фаза Лавеса) представлен на рис. 2. Атомы Tb ствие единообразия в повороте моментов, выделенность образуют алмазную решетку, на элементарную ячейку отдельных атомов Fe создается, по-видимому, их соседкоторой приходится четыре единообразно выстроенных ством с немагнитными атомами Y, концентрация которых по типу рис. 2 тетраэдра атомов Fe. Ось легкого намагнипо отношению к Fe равна 1 : 10.

чивания [111]. Угол между направлением магнитного момента атома Fe и осью градиента электрического поля Электрическое воздействие на исследуемый металлипринимает два значения: = 0 и 7232, что и создает ческий образец длилось 10-6 s. Это эквивалентно магнитное различие атомов Fe в результате эффекта воздействию электрической волны с частотой порядка Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. Автоколебания упорядоченной магнитной структуры Рассмотрим теперь процесс колебаний в целом. Энергия E создает в некоторой части элементарных ячеек еще одно направление ориентации моментов типа [111], отличное от имеющегося в данной ячейке, например [111]. Это возможно, если ось [111] и направление деформации совпадают. В результате часть моментов совершает перескок типа 0 7032, что приводит к росту A1/A2, как это описано выше. На рис. 3 представлена энергетическая схема, на основе которой будет проводиться дальнейшее обсуждение результатов. Она состоит из схемы двух взаимосвязанных потенциальных ям I и II, условно связанных с направлениями [111] и [111] соответственно. Яма I ФмельчеФ ямы II, повидимому, по крайней мере в 3 раза. Именно такое соотношение глубин соответствует наблюдаемым максимальным значениям параметра A1/A2 (рис. 1). Глубина E2 ямы II составляет 0.01 eV / ion, как можно оценить из интенсивности обменного взаимодействия для TbFe2, имеющего точку Кюри 682 K.

Введем некий средний угол av(t), который характе ризует степень перескока моментов на ось [111] как функции времени, в виде Рис. 2. Расположение атомов Fe в структуре TbFe2. Стрелки Ч магнитные моменты Fe.

av(t) =7032 N[111](t)/[N[111](t) +N[111](t)], (1) где N[111](t) и N[111](t) Ч число моментов в ямах I и II нескольких мегагерц за то же время. Толщина скин-слоя соответственно. Истинный угол принимает только два здесь составляет 0.1 mm, т. е. поле вполне проникает дискретных значения, а, характеризующий изменев частицы поглотителя, размер которых 0.01 mm.

ния магнитной структуры образца в целом, изменяется Магнитное поле токов смещения составляет в данном плавно. Рост N[111](t) означает увеличение av(t) и энер эксперименте 10-3 Oe и никакого влияния на магнит- гии, с ним связанной, которую можно выразить в виде ную структуру не оказывает. С учетом результатов опыта av(t), где Ч нормировочный коэффициент пропорпо плавному уменьшению поля в конденсаторе можно циональности. С другой стороны, изменение ориентации считать, таким образом, что наблюдаемые физические отдельного момента вызывает изменение магнитного появления обусловлены мгновенным уменьшением до нуля тока и создает добавочную энергию, пропорциональную электрического поля E0, т. е. производной dE0/dt, дохоскорости этого изменения. В терминах av эту добавку дящей до 108 kV cm-1 s-1.

можно выразить как dav/dt, где Ч время релаксации Импульс электрического поля вызывает смещение иосистемы моментов. Источником изменения является нов решетки. Энергия этого смещения, энергия магнитоупругого взаимодействия и энергия образования ромбоэдра должны быть примерно одного порядка, так как в основе их лежит электростатическое взаимодействие, формирующее магнитную анизотропию. Энергию образования ромбоэдра легко подсчитать как работу по смещению ионов, которую необходимо выполнить для деформации граней куба на угол, равный 0.12.

Она составляет 0.01 eV / ion. Точности использованного рентгеноструктурного анализа (0.001 ) оказалось недостаточно для фиксации факта возможного изменения параметра решетки, однако изменения в параметре вполне допустимы. На реальность процесса смещения ионов указывает также то, что параметр изомерного сдвига 1 изменился после действия поля на 0.06 mms-1, а параметр Q2 Чна 0.15 mms-1, т. е.

весьма значительно. Это означает, что в решетку была введена энергия смещения ионов, которая превращается Рис. 3. Энегетическая схема процесса автоколебаний моменв энергию магнитного возмущения E 0.01 eV / ion.

тов атомов Fe.

8 Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 1076 С.К. Годовиков, В.П. Петухов, Ю.Д. Перфильев, А.И. Фиров энергия E2 моментов в яме II и энергия магнитного и (6), к уменьшению t. Этот эффект проявляется при возмущеня E. Отсюда уравнение энергетического временах свыше двух недель (рис. 1), когда амплитуда баланса движения моментов можно записать в виде колебаний A1/A2 затухает со временем, что эквивалентно уменьшению глубины ямы I. Кроме того, параметр ( dav/dt + av) =E, t очень чувствителен к величине E. Если E очень мало (слабое возмущение), то, согласно (4), t1, E = E2 +E. (2) т. е. возникает апериодический процесс. Такие случаи действительно наблюдались в серии предварительных Уравнение (2) для начальной стадии изменения av экспериментов с электрическим полем [4].

имеет решение в виде Если рассматривать микроскопический механизм пеav(t) =E/[1 - exp(-t/ )]. (3) рескока моментов, то он представляется как кластерный, причем размер кластера для наблюдаемых времен Из (3) можно оценить, что время t1 переброса моменрелаксации должен составлять 20 моментов Fe [3].

тов в яму I по порядку величины не превышает Отсюда можно объяснить стохастичность колебаний при больших временах (> 25 дней), когда происходит, t1 ln[(E - E1)/(E - E2)]. (4) по-видимому, рассеяние по кристаллу центров возмущения. Это затрудняет образование больших кластеров, а Величина E не является постоянной. В момент заполмелкие, как известно [3], распадаются за очень широкий нения ямы I по верху она резко меняет знак, и в силу спектр времени, начиная от минут до нескольких дней.

примерного равенства абсолютных значений E2 и E Рассмотрим теперь поведение параметров H1, H2, Qуравнение (2) принимает существенно иной вид и Q2 (рис. 1). Временная стабильность параметров H и Q1 связана с тем, что они соответствуют той большей dav/dt + av = 0. (5) части атомов Fe, которые не соседствуют с атомами Y и Физически это означает, что яма I более заполнена, устойчивы к возмущению. С другой стороны, параметры чем яма II, что вызывает обратный процесс переброса H2 и Q2 связаны с той частью атомов Fe, моменты моментов с характерным временем которых испытывают перескоки по крайней мере в одной элементарной ячейке из трех. Этот процесс вызывает t2 = ln E2/E1. (6) легкое возмущение локальной магнитной и атомной структуры и, следовательно, параметров H2 и Q2, и Таким образом, период всего процесса t есть притом в антифазе друг к другу, как и положено в случае комбинированного сверхтонкого взаимодействия.

t =t1 +t2. (7) Заполнение ямы II означает возвращение в исходное Список литературы состояние, где E > 0 и имеют силу уравнения (2) и (3). Поэтому процесс повторяется и начинается [1] К.П. Белов. Редкоземельные магнетики, Наука, М. (1980).

новый цикл колебательного процесса. Изменение зна[2] S.K. Godovikov, Yu.D. Perfiliev, Yu.F. Popov, A.I.Egorov. Book ка E обусловлено тем, что эта величина заключает of abstracts. Int. Conf. Applications of Mossbauer Effect.

в себе изменение энергии кристаллического поля при Rio de Janeiro (1997). P.MO.T8.PO4.

[3] С.К. Годовиков, Ю.Д. Перфильев, Ю.Ф. Попов, А.И. Фиров.

повороте моментов, который происходит через область ФТТ 40, 508 (1998).

оси трудного намагничивания [100], где константа маг[4] С.К. Годовиков, Ю.Д. Перфильев, В.П. Петухов. Програмнитной анизотропии K1 имеет противоположный исходма и тезисы докладов. Всеросийская конф. ФПрименение ному состоянию знак. Вид дифференциальных уравнеядерно-физических методов в магнетизме и материаловений (2) и (5) свидетельствует о том, что колебания денииФ. Ижевск (1998). С. 39.

носят релаксационный характер. По природе своей Ч это колебания, источником которых является энергия исходной деформации решетки, постепенно расходуемая на магнитоупругие временные процессы.

Оценим теперь параметр t. Из результатов работы (3) известно, что характерное время апериодической релаксации моментов в рассматриваемой системе составляет 7 дней. Отсюда, согласно (4), t1 2 дня, а согласно (6), t2 2.8 дня, т. е. t 4.8 дня.

Это значение весьма близко к экспериментально наблюдаемой периодичности начального участка зависимости A1/A2 от времени, которая равна 5 дням (рис. 1).

   Книги по разным темам