Upload
rae
View
48
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI MANGANITÓW W POBLIŻU PROGU PERKOLACJI. A. Wi ś niewski a , R. Pu ź niak a , V. Markovich b , I. Fita a , c , Ya.M. Mukovskii d - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI MANGANITÓW W POBLIŻU PROGU PERKOLACJI
A. Wiśniewskia, R. Puźniaka, V. Markovichb, I. Fitaa,c, Ya.M. Mukovskiid
aInstitute of Physics, Polish Academy of Sciences, Warsaw, PolandbDepartment of Physics, Ben-Gurion University of the Negev, Beer-Sheva, IsraelcDonetsk Institute for Physics and Technology, NAS, Donetsk, UkrainedMoscow State Institute of Steel and Alloys, Moscow, Russia
Plan wykładu WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI ….
Magnetyczny diagram fazowy La1-xCaxMnO3 i Pr1-xSrxMnO3.
Wpływ ciśnienia na właściwości magnetyczne i transportowe
(TC, TMI).
Wpływ ciśnienia w pobliżu progu perkolacji xC (niektóre prace
teoretyczne przewidywały, że współczynnik ciśnieniowy
dTC/dP maleje ze wzrostem domieszkowania).
Wpływ domieszkowania i ciśnienia na naturę magnetycznego
przejścia fazowego w Pr1-xSrxMnO3.
Diagram fazowy La1-xCaxMnO3 (LCMO)
WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI …
Związki o zawartości Ca: x = 0 i x
= 1 są AFM izolatorami
0.17 < x < 0.25 – współistnieją
dwie fazy FM (“metaliczna” i
“izolatorowa”)
Próg perkolacji xc – krytyczny
poziom domieszkowania, przy
którym zmienia się charakter
przewodnictwa ze zlokalizowanego
(x < xc) na wędrowny (x > xc)
Dla LCMO: xc 0.22
Diagram fazowy Pr1-xSrxMnO3 (PSMO)
PSMO – przy domieszkowaniu ma
taką samą jak LCMO sekwencję
przejść magnetycznych
LCMO i PSMO mają porównywalne
Tc przy optymalnym
domieszkowaniu
Mają podobny próg perkolacji, dla
PSMO: xc 0.24
W obydwu związkach dla xc
czynnik dopasowania (tolerance
factor) ma wartość 0.96, dla
której zachodzi przejście
strukturalne z fazy ortorombowej
(c/a < 2) do pseudokubicznej
(c/a 2).
WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI …
C. Martin et al., PRB 60, 12 191 (1999)
Monokryształy:La1-xCaxMnO3 (x = 0.18, 0.20, 0.22)
iPr1-xSrxMnO3 (x = 0.22, 0.24, 0.26)
zostały wyhodowane metodą topnienia strefowego.
Pomiary magnetyczne pod ciśnieniem hydrostatycznym do 11 kbar (1.1 GPa) zostały przeprowadzone za pomocą VSM. Użyto miniaturowej komory ciśnieniowej (CuBe) wypełnionej mieszaniną oleju mineralnego i nafty.
Mierzono próbki o cylindrycznym kształcie (średnica 1 mm, wysokość 4 mm, wzdłuż osi <110>).
EKSPERYMENT
P
WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI ….
La1-xCaxMnO3 - pomiary magnetyczne
Dla x = 0.20, w pobliżu 70 K jest
wyraźnie widoczna zmiana
nachylenia zależności M(T),
przypuszczalnie związana z
przejściem do stanu typu szkła
spinowego (brak takiej zmiany
dla x = 0.22).
Dla x = xC = 0.22 wzrost TC pod
ciśnieniem jest największy.
0 50 100 150 2000
1
2
3
4
0 25 50 75 1002,8
3,0
3,2
(a)
H = 100 OeP=0P=8.9 kbar
FC
ZFC
La0.8
Ca0.2
MnO3
M (
em
u/g
)
Temperature (K)
PZFC
FCP = 0
0 50 100 150 2000
1
2
3
4
P=0 P=10.2 kbar
FC
ZFCLa
0.78Ca
0.22MnO
3H = 100 Oe
Temperature (K)
M (
emu/
g)
P
WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI …
PRB 66, 094409 (2002)
La1-xCaxMnO3 – pomiary magnetyczne Dla x = 0.18 i 0.20, wzrost Tc pod
ciśnieniem jest porównywalny, dla
obydwu związków w niskich
temperaturach stanem
podstawowym jest stan FM izolatora
dominują oddziaływania
nadwymiany (SE).
Dla x = xC = 0.22, współczynnik
ciśnieniowy ma największą wartość,
dla tego związku większą rolę
odgrywają oddziaływania wymiany
podwójnej (DE).
Ciśnienie ma większy wpływ na
podwójną wymianę niż na
nadwymianę.
WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI …
0 2 4 6 8 10 12
180
184
188
192
196
200
204
Tc =189.4 + 0.6 P + 0.1 P2
La0.82
Ca0.18
MnO3
TC =181.2+0.3 P
La0.8
Ca0.2
MnO3
TC =183.5+0.3 P
La0.78
Ca0.22
MnO3
TC (
K)
P (kbar)
PRB 66, 094409 (2002)
Pr1-xSrxMnO3 – pomiary magnetyczne
WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI …
Dla x = 0.22:
W pobliżu T ≈ 80 K widoczna jest
zmiana nachylenia krzywych MFC i
MZFC, jest ona prawdopodobnie
związana z porządkowaniem się
momentów magnetycznych Pr.
Tc podsieci Mn została określona
jako punkt przegięcia krzywej
M(T). Tc(Pr) jest określona jako
maksymalna wartość dMZFC/dT.
Współczynniki ciśnieniowe
obydwu Tc są diametralnie różne:
dTc/dP ≈ 1.1 K/kbar natomiast
dTc(Pr)/dP ≈ -1.7 K/kbar.
0 50 100 150 2000,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0 2 4 6 8 10 1260
80
160
180
(a)
TC(Pr)
TC
FC
ZFCP
Pr0.78
Sr0.22
MnO3
H=10 Oe
P=0 P=7.0 kbar P=11 kbar
M (
emu/
g)
Temperature (K)
(b)
TC(Pr) = 85 - 1.7 P
TC = 168 + 1.07 P
TC (
K)
Pressure (kbar)
PRB 71, 224409 (2005)
Pr1-xSrxMnO3 – pomiary magnetyczne Dla x = 0.24, w pobliżu TC dla P 4
kbar pojawia się lokalne maksimum
na krzywej MFC(T).
Dla x = 0.26, lokalne maksimum na
krzywej MFC(T), w pobliżu TC, jest
widoczne dla wszystkich ciśnień i
jest wyraźniejsze niż dla x = 0.24.
Lokalne maksimum na krzywej MFC
w pobliżu TC może wskazywać na to,
że przejście fazowe jest I rodzaju.
Współczynnik ciśnieniowy TC ma
największą wartość dla x = xC =
0.26
WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI …
PRB 71, 224409 (2005)
Pr1-xSrxMnO3 – pomiary transportowe
Tc(Mn) jest niższa niż temperatura
przejścia MI (określona jako
maksimum zależności oporu od T).
„Rozsunięcie” TC i TMI – skutek
współzawodnictwa pomiędzy
oddziaływaniami DE i SE (to
współzawodnictwo rośnie w
pobliżu progu perkolacji).
Zmiany TMI i Tc pod wpływem
ciśnienia są porównywalne.
Ciśnienie modyfikuje „stan
perkolacyjny”, zmienia ścieżki
przewodnictwa.
WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI …
PRB 71, 224409 (2005)
Wzrost współczynników dTC/dP i dTMI/dP dla xC
Wzrost wartości dTC/dP dla xC jest związany z różną naturą oddziaływań
magnetycznych poniżej i powyżej xC: dla x > xc nośniki są bardziej ruchliwe,
magnetyczne i transportowe właściwości są zdominowane przez DE, dla x < xC
oddziaływania DE są częściowo zastąpione przez SE. Ciśnienie ma większy wpływ na oddziaływania DE niż na SE. Ciśnienie (podobnie jak
podstawienia chemiczne jonów o większym promieniu) powoduje wzrost kąta między wiązaniami Mn-O-Mn i zmniejsza długość wiązania Mn-O-Mn, prowadzi to do wzrostu
szerokości pasma eg (W = cos/(dMn-O)3.5) i w konsekwencji do wyższych wartości Tc i
TMI.
WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI …
-0,04 -0,02 0,00 0,02 0,04 0,06 0,080,0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
2,4
dTC/d
P, d
T MI/d
P (
K/k
bar)
x-xC
Pr1-x
SrxMnO
3-T
C
Pr1-x
SrxMnO
3-T
MI
Pr1-x
SrxMnO
3 (x - x
C = 0.06) -T
C,T
MI
I.V. Medvedeva et al. La
1-xCa
xMnO
3-T
C
PRB 71, 224409 (2005)
Pr1-xSrxMnO3 - natura magnetycznego przejścia fazowego
Model Beana-Rodbella (Phys. Rev. 126, 104 (1962))
• W modelu tym rozważa się ferromagnetyk w przybliżeniu pola molekularnego.• Uwzględnia się zależność energii wymiany od odległości międzyatomowych, jeśli
ta zależność jest słaba M(T) zmienia się w sposób ciągły, jeśli jest silna, funkcja M(T) staje się nieciągła.
• Stałą pola molekularnego wyraża się jako wielkość proporcjonalną do parametru n („parametru sprzężenia”) zależnego od spinu S.
• Na podstawie analizy zależności zredukowanego namagnesowania m od T/Tc,
można określić typ przejścia fazowego. Jeśli parametr n < 1, magnetyczne przejście fazowe jest II rodzaju, jeśli n > 1 przejście jest I rodzaju.
• Novak et al. (PRB 60, 6655 (1999)) pokazali, że model B-R może być wykorzystany do analizy natury przejścia fazowego w manganitach.
WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI …
Pr1-xSrxMnO3 –natura magnetycznego przejścia fazowego
Porównanie wyników doświadczalnych z przewidywaniami modelu B-R pozwala, na podstawie analizy m od T/Tc, na określenie typu
przejścia fazowego. Jeśli parametr n < 1, magnetyczne przejście fazowe jest II rodzaju, jeśli n > 1 przejście jest I rodzaju.
WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI …
0,0 0,5 1,00,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
(a)
P=0 TC=203 K
P=11 kbar TC=227 K
n=0 n=0.5 n=1
P=0 TC=168 K
P=11 kbar TC=179.8 K
Pr0.74
Sr0.26
MnO3
Pr0.78
Sr0.22
MnO3
m
Bean-RodbellS=2
0,0 0,5 1,00,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
T/TC
(b)
T/TC
P=0 TC=177 K
P=10.7 kbar TC=195 K
n=0.5 n=1
P
Pr0.76
Sr0.24
MnO3
m
Bean-RodbellS=2
Charakter przejścia fazowego zmienia się z poziomem domieszkowania: dla x = 0.22, przejście jest II rodzaju (n 0.5), dla x = 0.26 jest raczej I rodzaju (n 1, osobliwość MFC w TC), dla obydwu próbek rodzaj przejścia nie zależy od ciśnienia.
Dla x = 0.24, widać wpływ ciśnienia na charakter przejścia: dla P = 0, przejście jest II rodzaju (n 0.5), dla P=11 kbar jest I rodzaju (n 1, osobliwość MFC )
PRB 71, 224409 (2005)
Wnioski
Współczynniki ciśnieniowe dTC/dP i dTMI/dP silnie rosną
w pobliżu progu perkolacji xC i nie maleją powyżej xC
(wbrew przewidywaniom teoretycznym).
Pod wpływem ciśnienia może ulec zmianie charakter
przejścia fazowego ferromagnetyk-paramagnetyk.
WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI …
29 (pod ciśnieniem normalnym) + 25 (pod ciśnieniem) = 54 (z 92 pierwiastków) kolor żółty kolor zielony
C. Buzea, K. Robbie Supercond. Sci. Technol. 18 (2005) R1-R8
Nadprzewodnictwo diamentu domieszkowanego borem
Nadprzewodnictwo pierwiastków Nb: TC = 9.25 K (najwyższa TC pierwiastka)
Li: TC = 20 K pod p = 50 GPa (najwyższa TC pierwiastka pod ciśnieniem,
przejście do struktury o niższej symetrii)
Si: TC = 8.5 K pod p = 12 GPa, Ge: TC = 5.4 K pod p = 11.5 GPa
O: TC = 0.6 K pod p = 120 GPa, Fe: TC = 2.0 K pod p = 21 GPa
nadprzewodnictwo B pod ciśnieniem
M.I. Eremets et al. Science 293, 272 (2001)
próbka ~ 20 m, elektrody pomiarowe ~2 m
p 160 GPa, TC = 6 K, TC = 11.2 K pod p 250 GPa (!)
Święty Graal: metaliczny H: p 400 GPa, TC = TR) (500 GPa = 5 Mbar
ciśnienie w środku Ziemi, pmax w kowadłach diamentowych 560 GPa A.L. Ruoff,
H. Luo, Recent Trends in High Pressure Research, ed. A.K. Singh, IBH, Oxford, 1992)
Nadprzewodnictwo diamentu domieszkowanego borem
At TFI 150 K transition from FM insulating state to FM metallic
Under pressure huge reduction in (T) and shift of TFI towards lower temperatures
Pressure enhances carrier itinerancy, stabilizes the metallic phase and widens the
temperature region of the metallic phase
La1-xCaxMnO3 transport measurements
PRESSURE EFFECTS ON MAGNETIC PROPERTIES ….
0 50 100 150 200 250 300
1
10
La0.82
Ca0.18
MnO3
TFI
TC
(
. cm)
Temperature (K)
P = 0
100 150 200 250
0,1
1
10
TC
TFI
TFI
TFI
TFI
La0.82
Ca0.18
MnO3
P=0 P=0.42 GPa P=0.65 GPa P=0.95 GPa
(
. cm)
Temperature (K)
La1-xCaxMnO3 magnetic measurements
The difference between MFC and MZFC decreases under pressure
increase of FM metallic regions at the expense of frustrated spin
structures
Under pressure M increases
PRESSURE EFFECTS ON MAGNETIC PROPERTIES ….
0 60 120 1800
1
2
3
FC
H = 0.01 TZFC
P = 0P = 8.6 kbar
M (
em
u/g
)
Temperature (K)
La0.82
Ca0.18
MnO3
0,0 0,5 1,0 1,50
1
2
3
4
ZFCM (
/M
n s
ite)
P = 0 P = 8.6 kbar
160 K
120 K
4.2 K
H (T)
La0.82
Ca0.18
MnO3
La1-xCaxMnO3 magnetic measurements The different nature of FM interactions for x = 0.20 and 0.22 is
also reflected in their M(H) curves
For x = 0.2
Along easy direction M(H) does not saturate in fields up to 15
kOe
The anisotropy in (110) plane almost disappears in fields H > 12
kOe
Pressure gradually suppresses the magnetic anisotropy in (110)
plane and at P = 8.9 kbar the anisotropy vanishes completely
For x = 0.22
Magnetization saturates in H ≈ 5 kOe and pressure practically
does not affect M(H) curve
WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI …
0 3 6 9 12 150
20
40
60
80La
0.8Ca
0.2MnO
3
T=4.2 K
P=0;4.4;8.9 kbar, easy direction P=0, hard direction P=4.4 kbar, hard direction P=8.9 kbar, hard direction
M (
emu/
g)
H (kOe)
0 3 6 9 12 150
20
40
60
80
100
P=0, T=4.2 K, easy direction P=0, T=4.2 K, hard direction
La0.78
Ca0.22
MnO3
H (kOe)
M (
emu/
g)