Актуальность темы. Изучение янтеллеровских (ЯТ) магнетиков всегда представляло большой физический интерес. Он связан, прежде всего, с необычными свойствами этих соединений. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) и колоссального магнитосопротивления (КМС) явилось причиной интенсивных исследований в этой области. Как в ВТСП, так и в КМС соединениях присутствуют ЯТ ионы: Си"’ )в купратах) и Мп3 (в манганитах), соответственно. Данные эффекты наблюдаются в дотированных кристаллах, однако, для понимания природы явлений не менее важным является изучения частных случаев, в том числе —случай чистого кристалла. Кроме ВТСП и КМС, в ЯТ кристаллах наблюдаются такие явления, как орбитальное и зарядовое упорядочения (ОУ и ЗУ), гигантская магнитострикция и др.
Для ЯТ соединений характерной является сильная связь спиновых, зарядовых и орбитальных степеней свободы. Об этой взаимосвязи неоднократно упоминалось в исследованиях, посвященных ЯТ магнетикам. Однако наибольшее внимание обычно уделяется взаимному влиянию магнитных и транспортных свойств, реже исследуется взаимосвязь структурных и магнитных характеристик. Феномен ЗУ представляет интерес, так как здесь возникает необходимость учитывать все аспекты физики КМС манганигов (локализация зарядов, структурные искажения, орбитальное упорядочение, магнитные взаимодействия).
В настоящее время отсутствует теория для определения магнитной структуры и спектров спиновых возбуждений для ЯТ диэлектриков, в которой бы в полной мере была учтена орбитальная структура. По поводу механизмов орбитального и магнитного упорядочения, а также их взаимосвязи, единое мнение отсутствует. Общепризнанными считаются сегодня три механизма упорядочения орбиталей, вызванные следующими взаимодействиями [1]: 1) квадруполь-квадрупольное взаимодействие; 2) обменное взаимодействие; 3) электронно-колебательное взаимодействие (ЭЯТ). В современных исследованиях для описания орбитальных структур в соединениях с ЯТ подрешеткой меди или марганца используются модели 2 и 3.
Работа посвящена теоретическому описанию магнитных свойств манганигов. Предполагается, что в манганитах существует сильная элек¬тронно-колебательная связь, которая является основной причиной орбитального упорядочения, которое, в свою очередь, определяет магнитную структуру. Кроме того, в диэлектрической фазе единственным видом обменного взаимодействия считается сверхобмен. В рамках этой модели применяется концепция орбитально-зависимых магнитных взаимодействий, которая позволяет описать и предсказать магнитные структуры и спектры магнитных возбуждении для всего ряда редкоземельных и зарядово-упорядоченных манганитов.
Цель работы. В рамках приближения сильного электронно-колебательного взаимодействия исследовать влияние кристаллической, орбитальной и зарядовой структур на обменное и зеемановское взаимодействия, а также одноионную анизотропию, и провести расчет магнитной структуры и спектра спиновых возбуждений исследуемых веществ. Для осуществления этой цели были решены следующие задачи:
: В рамках известной орбитальной структуры и при известной зависимости обменного взаимодействия от орбитальной структуры найти орбитальную зависимость зеемановского взаимодействия и провести расчет магнитной структуры, спектров магнитного резонанса и спиновых волн для фторидов КСпРз и КзСиРд в модели многих подрешеток: определить влияние кристаллической и орбитальной структур на угловые зависимости спектров магнитного резонанса; отработать методику расчета магнитной структуры и спектров многоподрешеточных магнетиков;
у Установить орбитальную зависимость обменного и зеемановского взаимодействий, а также одноионной анизотропии для пар ионов Мп3+- Мп3+, Мп3+- Мп4+, Мп4+- Мп4+ в кислородном окружении, учитывая их микроскопическую природу; установить влияние ян-теллеровских и поворотных искажений на магнитные взаимодействия;
о Выяснить, как влияет на магнитные взаимодействия и спектры магнитных возбуждений подрешетка ионов редкоземельных и щелочно-земельных элементов, которая непосредственно не участвует в обменном взаимодействии марганцевой подсистемы, в регулярных (ИМпОз) и зарядово-упорядоченных (До.зАо 5М11О3, К05А15МпО4, ЯАзМпгОз) манганитах;
<> Провести разбиение на магнитные подрешетки в этих соединениях, провести расчет магнитной структуры и спектров антиферромагнитного резонанса и спиновых волн; определить влияние орбитальной структуры и возможной избыточности магнитных подрешеток на
спектры; ооъяснить нетривиальные особенности экспериментальных спектров АФМР и спиновых волн.
Научная новизна работы.
1. На примере >1Т соединений KCuF3и K2CuF4выяснено влияние орбитально-зависимого зеемановского взаимодействия на спектры магнитного резонанса;
2. В рамках приближения сильного электронно-колебательного взаимодействия описаны орбитальные структуры регулярного (х-0) и зарядово-упорядоченного (х=0.5) манганитов; установлена и проанализирована орбитальная зависимость сверхобменного взаимодействия, од- ноионной анизотропии и зеемановского взаимодействия в регулярных и зарядово-упорядоченных манганитах;
3. Объяснены магнитные структуры вышеназванных соединений; показано, что их характерные особенности обусловлены орбитальным упорядочением; показано, что модель орбитально-зависимых магнитных взаимодействий полностью описывает спектры спиновых волн и антиферромагнитного резонанса в LaMnO3; описана экспериментальная полевая зависимость намагниченности в LaMnO3; предсказаны величины обменных параметров и температур Нееля для некоторых других редкоземельных манганитов;
4. Впервые определены обменные параметры и оценены температуры Нееля для ЗУ соединений Pro.jSro.^Cao osMnOj, Lao зСа<, 5М11О3, ТЬозСаолМпОз; предсказаны дисперсионные зависимости спиновых волн для Pro.sSro.jiCao.osMnOs, l.acjCansMnOj, Tb0.sCacJvlnOy. оценены обменные параметры для Lao.jSrj.jMnOa и RSHMITO? (R= La, Nd) и рассчитаны примерные дисперсионные зависимости спектра спиновых волн.
Научная и практическая ценность работы состоят в следующем
О установлена количественная связь между орбитальной и магнитной подсистемами в чистых и ЗУ манганитах; полученные параметры орбитальных зависимостей обменного взаимодействия для пар ионов Мп3+-Мп3+, Мп3'-Мп4' в кислородном окружении могут быть использованы для моделирования влияния внешних воздействий (магнитного поля и давления) на кристаллическую и орбитальную структуры манганитов. На основе этих зависимостей может быть исследовано влияние орбитальной структуры на эффект КМС;
<1 расширены представления о спиновой динамике многоподрешеточных магнетиков: рассчитанные спектры могут дать возможность экспериментального изучения магнетиков со сложной структурой методами магнитного резонанса и нейтронного рассеяния, а также оптическими методами; эти спектры также являются необходимыми для изучения эффекта КМС;
'. создан комплекс программ для расчета магнитной структуры и спектров спиновых волн многоподрешеточных магнетиков.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
1. Формирование орбитальной структуры чистого манганита обусловлено кооперативным эффектом Яна-Теллера; формирование зигзагообразной орбитальной структуры в ЗУ манга нитах происходит за счет полносимметричного искажения вокруг ионов Мп'|!, ЯТ искажения вокруг Мп3+ и подстройки решетки под эти искажения, выражающейся в сдвиге подрешетки четырехвалентного марганца из симметричной позиции
2. Обменное и зеемановское взаимодействия, а также одноионная анизотропия зависят от характера упорядочения орбиталей в чистых и ЗУ ЯТ манганитах. Эти зависимости являются количественным обобщением правил Гудинафа-Канамори на случай многоэлекгронных орбиталей и учитывает все промежуточные случаи.
3. Магнитная структура ЯТ магнетиков с сильным электронно-колебательным взаимодействием, в основном, определяется орбитальной структурой через орбитально-зависимое обменное взаимодействие. Подобная модель позволяет интерпретировать все имеющиеся магнитные структуры диэлектрических манганитов;
4. Орбитально-зависимые магнитные взаимодействия являются причиной магнитной анизотропии (о дно ионной или индуцированной внешним магнитным полем), которая определяет детали магнитной структуры;
5. Результаты расчетов обменных параметров, спектров магнитных возбуждений для регулярных и зарядово-упорядоченных манганитов.
Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались на I и П Уральской региональной школе-семинаре молодых ученых и студентов по физике конденсированного состояния вещества (1997 и 1998, Екатеринбург, Россия); XXVH Международной зимней школе- симпозиуме физиков теоретиков «Коуровка-98» (1998, Екатеринбург- Челябинск, Россия); VI Российской научной студенческой конференции по физике твердого тела (1998, Томск, Россия); XXXI Совещании по физике низких температур (1998, Москва, Россия); IV Bilateral Russian-
German Symposium "Physics and Chemistry of Novel Materials" (1999. Екатеринбург, Россия); Пятой Всероссийской Научной Конференции студентов-физиков и молодых ученых ВКНСФ-5 (1999, Екатеринбург, Россия); XXXVE Международной научной студенческой конференции «студент и научно-технический прогресс» (1999, Новосибирск, Россия); Молодежной школе-семинаре физиков-теоретиков «миниКоуровка-99» (1999, Екатеринбург. Россия); V Всероссийской научной конференции «Оксиды. Физико-химические свойства» (2000, Екатеринбург, Россия); Второй объединенной конференции ио магнитоэлектронике (международной) (2000, Екатеринбург, Россия); XXVIII Международной зимней школе физиков-теоретиков «Коуровка-2000» (2000, Екатеринбург, Россия); школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники НМММ XVH» (2000, Москва, Россия); International Symposium on Physics in Local Lattice Distortions (2000, Ibaraki, Japan); The Fifteenth International Symposium on tire Jahn-Teller Effect (2000, Boston, USA); ХХХП Всероссийском совещании по физике низких температур (2000, Казань, Россия); Euro-Asian Symposium “Trends in Magnetism EASTMAG-2001” (2001, Екатеринбург, Россия).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Работа выполнена на кафедре компьютерной физики Уральского Государственного университета им. А. М. Горького (УрГУ) и в отделе оптоэлектроники НИИ ФПМ при УрГУ при частичной финансовой поддержке Госкомвуза РФ (грант №95-0-7.4-110), Российского фонда фундаментальных исследований (грант №96-03-32130а), International Soros Science Educational Program (грант № s98-600). Award № REC-005 of the US Civil Research Development Foundation for the Independent States of Former Soviet Union (CRDF), Министерства образования РФ (грант № ЕОО-3.4-277) ), а также Правительства РФ (именная стипендия за 1999/2000 год) и Губернатора Свердловской области (именная стипендия за 2000/2001 год).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, одного приложения и списка литературы. Общий объем работы составляет 134 страницы, включая 40 рисунков, 23 таблицы и список литературы из 120 наименований.
1. Исследованы механизмы формирования орбитальной структуры в манганитах (х=0 и х=0.5). Установлено, что формирование орбитальной структуры чистого манганита обусловлено кооперативным эффектом Яна-Теллера. Показано, что формирование зигзагообразной орбитальной структуры в зарядово-упорядоченных манганитах происходит за счет полносимметричного и ян-теллеровского искажений, а также сдвига подрешетки четырехвалентного марганца.
2. Установлены явные зависимости обменных параметров, одноионной анизотропии и зеемановского взаимодействия от угла орбитальной структуры. Ф для чистых и зарядово-упорядоченных манганитов. В соответствии с этими зависимостями оценены обменные параметры и температуры Нееля для манганитов с различными редкоземельно-щелочноземельными подрешетками.
3. Рассчитаны дисперсионные, нолевые и угловые зависимости спектра магнонов соединений KCuF3и KiCuiy в модели многих подрешеток. Показано, что орбитальная структура в этих соединениях создает тетрагональную магнитную анизотропию, индуцируемую внешним магнитным полем.
4. Построена модель взаимосвязи кристаллической, орбитальной и магнитной структур. Установлено, что в манганитах обменное взаимодействие определяет тип магнитной структуры, одноионная анизотропия определяет две легкие оси тетрагональной симметрии. Учет поворотных искажений кристалла в од коионной анизотропии понижает симметрию до орторомбической.
5. На основании расчетов полевой зависимости магнитной структуры и спектра АФМР для чистого LaMnO3показано, что характерные особенности спектра определяются орбитальной структурой кристалла.
6. Впервые в рамках предложенной модели объяснены особенности спектров магнонов в диэлектрических манганитах. Результаты расчетов дисперсии спектров для ЬаМпОз и некоторых ЗУ манганитов позволяют утверждать, что орбитальная структура в манганитах определяет анизотропные свойства дисперсионных зависимостей. Дисперсионные зависимости магнонов ЗУ манганитов заметно различаются в направлении вдоль орбитального зигзага и в перпендикулярном ему направлении.
7. Проведен анализ влияния редкоземельно-щелочноземельной подрешетки на спектры магнонов для регулярных и -зарядово-упорядоченных манганитов.
1. Gontehar L. Е., Nikiforov А. Е., Popov S. Е. Antiferomagnetic resonance
spectrum in lanthanium manganite. Euro-Asían Symposium “Trends in Magnetism” EASTMAG-2001. Abstract book. p. 129. Ekaterinburg (2001) ■
2. Gontehar L. E., Nikiforov A. E., Popov S. E. Interplay between orbital,
charge and magnetic orderings in НьхАхМпОз (x=0, 0.5). JMMM 223, №2, p. 175-191 (2001) '
3. Гончарь Л. Э., Никифоров А. E., Попов С. Э. Спектр антиферромагнитного резонанса в LaMnOv взаимосвязь орбитальной структуры и магнитных свойств. ЖЭТФ 118, №6(12), с. 1411-1420(2000)
4. Гончарь Л. Э., Никифоров А. Е. Влияние орбитального упорядочения на формирование магнитной структуры в ян-теллеровском магнетике LaMnO3. ФТТ 42, №6, с. 1038-1042 (2000)
5. Гончарь Л. Э., Никифоров А. Е., Попов С. Э., Шашкин С. Ю. Влияние давления на кристаллическую и магнитную структуры KCuF3. В сб. Проблемы спектроскопии и спектрометрии. Екатеринбург, с. 113-125 (1998)
6. Гончарь Л.Э.. Никифоров А.Е.. Попов С.Э., Лескова Ю.В. Антиферромагнитный резонанс в манганите лантана, взаимосвязь орбитальной и магнитной структур. ХХХП Всероссийское совещание по физике низких температур. Тезисы докладов секции LT: Низкотемпературная физика твердого тела. с. 167 Казань (2000)
7. Gontchar L. Е., Nikiforov А. Е., Popov S. Е. The crucial role of Jahn- Teller eftect in forming of orbital and magnetic structures of Charge ordered manganite RojAnsMnCh. International Symposium on Physics in Local Lattice Distortions, Abstracts, p. 85. Ibaraki, Japan (2000)
8. Gontchar L. E., Nikiforov А. E., Popov S. E. The crucial role of Jahn- Teller eftect in forming of orbital and magnetic structures of Charge ordered manganite R« 5A0 5МПО3. The Fifteenth International Symposium on the Jahn-Teller Eftect. Abstracts. Boston, USA (2000)
9. Алябьев А. В., Гончарь Л. Э., Никифоров А. Е. Взаимосвязь между орбитальным упорядочением и магнитной структурой ян-теллеровского магнетика LaMnO3. Оксиды. Физико-химические свойства. Сборник трудов V Всероссийской научной конференции. Екатеринбург, с. 27-30 (2000)
10. Алябьев А. В., Гончарь Л. Э., Никифоров А. Е., Попов С. Э. Магнитная структура и спиновые волны в зарядово упорядоченном манганите К.1.хАхМпОз (х=0.5). Вторая объединенная конференция по магнитоэлектронике (международная). Тезисы докладов. Екатеринбург, с. 120 (2000)
11. Алябьев А. В.. Гончарь Л. Э., Никифоров А. Е., Попов С. Э. Влияние эффекта Яна-Теллера на формирование орбитальной и магнитной структур зарядово-упорядоченного соединения Pro.jSro.iiCao даМпО3. Новые магнитные материалы микроэлектроники. Сборник трудов XVII международной школы-семинара. Москва, с. 102-103 (2000)
12. Гончарь Л. Э., Никифоров А. Е. Расчет спектра антиферромагнитного резонанса в манганите лантана. XXVHI Международная зимняя шкода физиков-теоретиков "Коур<жка-20(М)". Прсмрамма Екатеринбург, с. 23 (2000)
13 Gontchar L. Е., Nikiforov А. Е. Computer calculation of linear spin dy¬namics of KCuF3. IV Bilateral Russian-German Symposium on "Physics and chemistry of novel materials". Program and abstracts. Ekaterinburg. p2.12 (1999)
14 Гончарь JI. Э., Никифоров A. E. Моделирование линейной спиновой динамики во мпогоподрешеточном KCuFj. XXXI Совещание по физике низких температур. Тезисы докладов. Москва, с. 132 (1998)
Список цитированной литературы.
1. Купель К. И., Хомский Д. И. Эффект Яна-Теллера и магнетизм. УФН 136, №4, с. 621-664 (1982)
2. Nikiforov А. Е., Shashkin S. Yu., Levitan М. L., Agamalyan T. H. Coop¬
erative Jahn-Teller ordering in KCuF3 and K2C1.1F4 crystals. Phys. Stat. Sol. В118, p. 419-425 (1983) ’ '
3. Гуревич А. Г., Мелков Г А. Магнитные колебания и волны. 464с. М.: «Наука« (1994)
4. Huang Q., Santoro A., Lynn J.W., Erwin R.W., Borchers J.A., Peng J.L., Greene R.L. Structure and magnetic order in undoped lanthanum mangan¬ite Phys. Rev. В 55, №22, 14987-14999 (1997)
5 Matsumoto G. Study of Lai-xCaxMnO3. I. Magnetic structure of LaMnO3. J. Phys. Soc. Jap. 29, №3, p. 606-615 (1970)
6. Jirak Z., Krupicka S., Simsa Z., Dlouha M., Vratislav S. Neutron diffraction study ofPr^CaxMnCh JMMM 53, №1&2,153-166 (1985)
7. Mitsudo S., Hirano K., Nojiri H., Motokawa M., Hirota K., Nishizawa A., Kaneko N., Endoh Y. Submillimeter wave ESR measurement of I.aMnO3. JMMM 177-181, p. 877-878 (1998)
8. Moussa F., Hermion M., Rodriguez-Carvajal J., Moudden H., Pinsard L., Revcolevschi A. Spin waves in the antiferromagnet perovskite I.aMnCh. Phys. Rev. В 54, №21, p. 15149-15155 (1996)
9. Hirota K.. Kaneko N., Nishizawa A., Endoh Y. Two-dimensional planar ferromagnetic coupling in LaMnO3. J. Phys. Soc. Jap. 65, №12, p. 3736¬3739 (1996)
10. Ivanov V. Yu., Travkin V. D., Mukhin A. A., Lebedev S. P., Volkov A. A., Pimenov A., Loidl A., Balbashov A. M., Mozhaev A. V. Magnetic, di¬electric, and transport properties of La]„xSrxMnO3 at submillimeter wave¬lengths. J. Appl. Phys. 83, №11, p. 7180-7182 (1998)
И. В. Д. Травкин, В. Ю. Иванов, А. А. Мухин, А. М. Балбашов. Анизо-тропия магнитных свойств и электронные возбуждения в РгМпОз и NdMnOj. ХХХП Всероссийское совещание по физике низких темпера-тур, Тезисы докладов секции LT. Стр.48. Казань (2000).
12. Damay F., Jirak Z., Hervieu M., Martin C., Maignan A., Raveau B., Andre
G. , Bouree F. Charge ordering and structural transitions in Pr0 ,Sr(uiCa!M,9MnO3. JMMM 190, p. 221-232 (1998)
13. Radaelli P. G., Cox D. E., Marezio M., Cheong S.-W. Charge, orbital and
magnetic ordering in La0 sCao.sMnCh. Phys. Rev. B 55, № 5, p. 3015-3023 (1997) ’
14. Blasco J., Garcia J., de Teresa J. M., Ibarra M. R., Perez J., Algarabel P. A., Marquina C., Ritter C. Charge ordering at room temperature in TbojCao.sMnOs. J. Phys.: Condens. Matter 9, № 47, p. 10321-10331 (1997)
15. Sterblieb B. J., Hill J. P., Wildgruber U. C., Luke G. M., Nachumi B., Mo¬
rimoto Y, Tokura Y. Charge and magnetic order in Lao sSn 5МПО4. Phvs. Rev. Lett. 76,№12,p. 2169-2172(1996) ’
16. Ling C.D., Millbum J.E., Mitchell J.F., Argyriou D.N., Linton J., Bordallo
H. N. Interplay of spin and orbital ordering in the layered colossal mag- netiresistance manganite Laj^Sr^^MnsO?. Phys. Rev. В 62, № 22, p. 15096—15111 (2000); Akimoto T., Moritomo Y., Ohoyama K., Okamoto S., Ishihara S., Maekawa S., Hirota K., Nakamura A. Orbital stability in the spin-ordered phase of bilayer manganites as investigated by neutron¬diffraction measurements. Phys. Rev. В 61, №17, p. 11270-11273 (2000)