Магнитные свойства Ho-лангасита Текст научной статьи по специальности «Физика»

SSjmSS 18-20 октября 2022 г.

Магнитные свойства Ho-лангасита Тихановский А.Ю., Кузьменко А.М.

Федеральный исследовательский центр «Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук», Москва Е-mail: tikhanovski@phystech. edu

DOI: 10.24412/cl-35673 -2022-1-41-43

Семейство соединений лангаситов (La3Ga5SiOi4) известно достаточно давно и привлекло повышенное внимание благодаря проявлению пьезоэлектрических свойств. Редкоземельные лангаситы были синтезированы достаточно давно [1], они обладают нецентросимметричной кристаллической структурой

(пространственная группа Р321) и привлекли внимание благодаря проявлению нелинейных оптических и пьезоэлектрических свойств. Одним из таких соединений является (La^Ho^Ga^iO^, в котором проявляются необычные магнитные и магнитоэлектрические свойства [2-3]. Нами выполнено экспериментальное исследование магнитных свойств Ho-лангасита с концентрацией Ho х ~1.56 % и 4.55 %, а также предложено их теоретическое описание.

Магнитные ионы Ho3+ занимают три низкосимметричные позиции симметрии C2, с локальной осью, совпадающей с одной из трех кристаллографических осей 2-го порядка (а, b, -a-b), и остаются в парамагнитном состоянии вплоть до низких температур. Кристаллическое поле симметрии С2 расщепляет основной мультиплет 5I8, на 2J+1 = 17 синглетов. Магнитные свойства иона Ho3+ в лангасите, в основном, определяются двумя нижними близко расположенными энергетическими уровнями (квазидублет с расщеплением Acf ~ 3 К), хорошо отделенными от возбужденных состояний мультиплета, что обуславливает изинговское поведение магнитных ионов. Это соответствует поведению кривых намагничивания (Рис. 1), насыщение которых при низких температурах происходит в полях ~1 Тл (Рис. 1). Линейный рост намагниченности в области насыщения связан с примешиванием возбужденных состояний (вклад Ван Флека).

Для описания анизотропии магнитных свойств HoxLa3-xGa5SiO14 нами предложена модель, учитывающая нарушение

КВАНТОВАЯ МАКРОФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД

локальной симметрии, приводящее к отклонению изинговских осей от разрешенных симметрией С2 направлений. Изначально неискаженные изинговские оси иона Но3+ расположены в плоскости Ь*с и ориентированы под углами 120о в трех неэквивалентных позициях. Особенности кристаллической структуры, а именно случайное распределение Ga и Si, приводят к искажению кристаллического поля и отклонению локальных (изинговских) осей намагничивания от плоскости Ь*с, что позволяет корректно описать кривую намагничивания в поле Н||а (Рис. 1). Таким образом, магнитная подсистема включает в среднем 6 локальных позиций с соответствующими осями намагничивания. Это позволяет объяснить угловую зависимость намагниченности при вращении поля Н = 5 Тл в плоскости Ь8с, которая обладает тремя минимумами (Рис. 2а), соответствующими ортогональной ориентации магнитного поля относительно осей легкого намагничивания.

4

3 3 ^

Е ф

CD С

О) 1 05 1

| ' |

/ж (La Ж/ о ° V 0,95 и/ //У О Но ) Ga SiO 0,05'3 5 14

1 Theory Experiment

J -Н||а о Н||а

/ -Н||с G Н||с

/ -Н||Ь* G Н||Ь*

/ Н||с39°Ь* Н||с39°Ь*

О 10 20 30 40 50

Magnetic field, kOe

Рис. 1. Экспериментальные и теоретические кривые намагничивания (La0.95Ho0.05)3Ga5SiO14 при температуре T = 1.9 К в магнитном поле H||a, H||b*, H||c и H||c39°b* (последнее соответствует наименьшему значению намагниченности). Для описания угловых зависимостей намагниченности (Рис. 2 a-c) мы также учли случайный характер отклонения изинговских осей от наиболее вероятных значений, описываемый распределением Гаусса для сферических углов Ф = а^т(ць*/(ца2+ць*2)) и 0 = arccos(^c/^0) с дисперсией оф = 8o и ое = 14°. Мы также учли отклонение от чисто изинговского поведения иона в области насыщения, описываемое во втором порядке теории

18-20 октября 2022 г.

возмущении.

4,0

3,9 3,8 3,7 3,6

^ H 'in (ab1) 1 ' I ' 1 I i 1 i 1

¿ >*v Ж H' \ • / V > V > i V ! V, i M /-

■ i \ Г \ ¿ \ * i \ \ - • • \ » ¿ ,* • i \ \ i; \ i:

■ \Á ^ 1 V ^ -. v - v | v y v -

T=1.9K a| b* i I i I i I i i i I i iiii

50 кОе

(С)

150 -100 -50 0 50 100 150 Rotation position (deg)

Рис. 2. Угловые зависимости намагниченности (La095Ho0 05)3Ga5SiO14 при температуре T = 1.9 K и вращении поля в плоскости (a) b*c при H = 20, 35 и 50 кЭ, (b) ac при H = 50кЭ, (c) ab* при H = 50кЭ.

Авторы выражают благодарность научному руководителю, к.ф.-м.н. Мухину А.А. и к.ф.-м.н. Иванову В.Ю. за постановку задачи, помощь в подготовке теории и выполнении эксперимента.

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (№ 22-4205004).

1. Kaminskii A.A., Mill B.V., Silvestrova I.M. et al. Izv. Acad. Sci. USSR, Phys. Ser. 1983, 47, 1903-1909.

2. Bordet P., Gelard I., Marty K., et al. J. Phys. Condens. Matter. 2006, 18(22), 5147-5153.

3. Weynmann L., Bergen L., Kain T., et al. Npj Quantum Mater. 2020, 5(1), 61.