CC BY
21ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ГРАНАТОВ
12 3
Файзиев Ш.Ш. , Саидов К.С. , Сулаймонов Ш.Б.
1Файзиев Шахобиддин Шавкатович - кандидат физико-математических наук, доцент;
2Саидов Курбон Сайфуллоевич - кандидат физико-математических наук, доцент;
3Сулаймонов Шерзод Бахшуллоевич - магистрант, кафедра физики, физико-математический факультет, Бухарский государственный университет, г. Бухара, Республика Узбекистан
Аннотация: в работе исследованы магнитные свойства редкоземельных гранатов иона в кристаллах гранатов - галлатов и алюминатов. Эффект низкосимметричного кристаллического поля и существенно большая энергия магнитной кристаллографической анизотропии - энергия взаимодействия магнитного момента с кристаллической решеткой, выстраивание магнитного момента редкоземельного -иона R3+ вдоль определенного направления в кристалле граната. А также энергетические расщепление уровней (квазидублета) в низкосимметричном кристаллическом поле.
Ключевые слова: редкоземельные ионы, антиферромагнит, связь Рассела -Саундерса, энергетический спектр, низкосимметричный кристалл, кристаллическое поле, крамерсовский ион, фактор Ланде.
УДК 538.1:548
Магнитные свойства редкоземельных гранатов - галлатов и - алюминатов обусловлены исключительно редкоземельными (РЗ) - ионами, с недостроенными 4f -оболочками для которых в основном состоянии справедлива связь Рассела - Саундерса. РЗ - гранаты и алюминаты являются парамагнетиками в широком интервале температур и только при температурах ниже ~2К переходят в антиферромагнитное состояние [1, 2]. Однако, для точного описания поведения температурной зависимости магнитной восприимчивости РЗ - гранатов х (особенно в области низких Т) необходимо учитывать влияние низкосимметричного кристаллического поля симметрии D2, в котором находится РЗ-ион в гранате, на энергетический спектр РЗ - иона. Учёт этого обстоятельства и приводит к очень нетривиальному поведению магнитных свойств РЗ - иона в низкосимметричном кристаллического поля (КП) (с симметрией D2, С и т. п.) при низких температурах. Это эффект низкосимметричного КП [1] и существенно большая энергия магнитной кристаллографической анизотропии - энергия взаимодействия магнитного момента с кристаллической решеткой, выстраивает магнитные моменты РЗ - иона R3+ вдоль определенного направления в кристалле граната.
В случае крамерсовских РЗ - ионов, симметрия окружения и конкретные параметры КП играют большую роль в характере поведения РЗ- иона. КП приводит к значительной анизотропии восприимчивости РЗ - иона и будет определять качественно различный характер температурной зависимости %(Т) вдоль разных кристаллографических направлений в согласии с опытными данными. Опять же следуя работе [1], в одноосном КП можно рассмотреть основное дублетное состояние крамерсовского РЗ - иона и показать, что при высоких Т, восприимчивость становится изотропной:
2 2 _ 2g^,
ЛII Х-гг зкТ
где - фактор Ланде основного мультиплета РЗ - иона. В то же время, с
понижением температуры, восприимчивость вдоль оси - z растёт как 1/Т и при условии
4
кТ>>Д! (где Д1 - расстояние между основным и первым возбуждённым состояниями крамерсовского иона) соответствует восприимчивости % двухуровневой системы:
0 М°
% _-■-'-I , где % 1
н
М0 = 1 Мб • gll■ N • ^
2кТ
К = 1 Мб ■ % г N • Л
'мб -8\ \-нл
2кТ
При этом, поперечная восприимчивость % соответствующая
кристаллографическому направлению перпендикулярному "изинговской" оси имеет Ван - Флековское происхождение и стремится с понижением температуры к
постоянному пределу:
2 2
•И
О 1. Г' Б
х,-
1
Этот вклад в восприимчивость "изинговского" РЗ - иона связан с "примешиванием" возбуждённых состояний иона к основному при наложении внешнего магнитного поля Н и вообще говоря, он обусловлен смещением центра тяжести крамерсовского дублета при намагничивании кристалла. Для некрамерсовских РЗ - ионов (Рг3+, Еи3+, Тт3+), основным состоянием которых является синглет, отличный от нуля магнитный момент возникает только при учёте "примешивания" по теории возмущений к основному состоянию возбуждённых подуровней (механизм Ван - Флека).
У некрамерсовских РЗ - ионов (ТЬ3+, Но3 ) в кристаллическом поле граната основное состояние представляет собой два близко расположенных синглета -квазидублета и для РЗ - иона занимающего позицию с симметрией D2, ориентация "изинговской" оси не зависит от конкретных величин параметров КП (как в случае, некрамерсовских РЗ - ионов), а определяется только симметрией волновых функций штарковских синглетов образующих данный квазидублет.
Вообще говоря, в случае D2 - симметрии, направление "изинговской" оси совпадает с одной из поворотных осей 2Ш порядка (т.е. с одной из осей кристаллографической системы координат). Уровни энергии квазидублета РЗ - иона (занимающего г - позицию структуры граната), расщеплённого внешним магнитным полем Н можно представить в виде:
Е(±> (°> ± 1 Д) ,
-1—'П -1—'П
Д" ЧД+(а,н)
где Ма = 2&0 • < а\€а\Ь > Мб - магнитный момент квазидублета; £(0) - "центр
тяжести" квазидублета; |а>, |Ь> - волновые функции синглетов; Д0 - исходное
"расщепление" квазидублета в низкосимметричном КП; параметры Ма
определяются величинами матричных элементов операторов €к (компонент
оператора углового момента 1), которые также определяют и ориентацию оси
симметрии g - тензора (т.е. "изинговскую" ось). Параметры Д0 для граната-
галлатов и алюминатов с ионами ТЬ3+и Но3+ были рассчитаны в рамках теории КП.
Отметим, что ионы ТЬ3+ и Но3+ в структуре граната обычно имеют резко анизотропный g - фактор (одна из компонент g тензора значительно больше двух других [1]), что определяет "квазиизинговский" характер их намагничивания [2-24].
о
Список литературы
1. Valiev U.V., Dzhuraev D.R., Malyshev E.E., Saidov K.S. Electronic structure of the ground multiplet of the Dy3 + ion in the DyAlO3 orthoaluminate // Optics and Spectroscopy (1999). С. 703-706.
2. Valiev U.V., Nekvasil V., Mukhamedhanova Sh.I., Dzhuraev D.R., Saidov K.S. Experimental Definition of Zeeman Splitting of Excited States of Tb3+ Ion in Y3Al5O12 // Physica status solidi (b) (1999). С. 493-501.
3. Файзиев Ш.Ш., Саидов К.С., Аскаров М.А. Зависимость магнитно модулированной структуры от ориентации поля в кристалле // Вестник науки и образования (2020). № 18 (96). Часть 2. С. 6-9.
4. Saidov Q.S., Bekmurodova M.B. Complex movement of object // International Scientific Journal 85:5 (2020). С. 316-322.
5. Файзиев Ш.Ш., Саидов К.С. Электронная структура основного мультиплета иона диспрозия в ортоалюминате // Academy (2020) C. 4-6.
6. Atoeva M.F., Arabov J.O., Kobilov B.B. Innovative pedogogical technologies for training the course of physics // Journal of Interdisciplinary Innovations and Research, (2020). 2(12). С. 82-91.
7. Shavkatovich S.F., Baxtierovna N.Y. Changes occuring in ferromagnets by adding some mixture // Scientific reports of Bukhara State University 4:1 (2020). С. 8-13.
8. Курбанов К., Очилов Л.И. Определение механических воздействий гидротехнических сооружений с помощью оптических волоконных датчиков // Молодой ученый. 10 (2015). С. 247-251.
9. Очилов Л.И. Адсорбция воды на цеолитах типа ZSM-5 // Молодой ученый (2016). № 12. С. 358-360.
10. Очилов Л.И., Арабов Ж.О., Ашурова У.Д. Измерение преобразования потенциальной энергии в поступательную и вращательную энергию с помощью колеса максвелла // Вестник науки и образования (2020). № 18 (96) Часть 2. С. 18-21.
11. Очилов Л.И. Технология приготовления фитиля из капиллярно-полых материалов // Молодой ученый (2016). № 12. С. 360-362.
12. Кодиров Ж.Р., Маматрузиев М. Изучение принципа работы устройства насосного гелио-водоопреснителя // Молодой ученый. 26 (2018). С. 48-49.
13. Очилов Л.И. Исследование некоторых свойств капиллярно-полых материалов // Молодой ученый (2016). №12. С. 362-364.
14. Dzhuraev D.R., Turaev A.A. Features of key parameters of field transistors // Scientific reports of Bukhara State University (2020). № 2. С. 7-10.
15. Очилов Л.И., Ашурова У.Д. Измерение силы, действующей на проводники с током со стороны магнитного поля подковообразного магнита // Наука и образование сегодня (2020). C. 9-12.
16. Boidedaev S.R., Dzhuraev D.R., Sokolov B.Y., Faiziev S.S. Effect of the transformation of the magnetic structure of a FeBO3:Mg crystal on its magnetooptical anisotropy // Optics and Spectroscopy. 107:4 (2009). С. 651.
17. Шарипов М.З., Соколов Б.Ю., Файзиев Ш.Ш. Влияние перестройки магнитной структуры кристалла FeBO3:Mg на его магнитооптическую анизотропию // Наука, техника и образование. 10:4 (2015). С. 15-18.
18.Atoeva M.F., Arabov J.O., Kobilov B.B. Innovative Pedogogical Technologies For Training The Course Of Physics // Journal of Interdisciplinary Innovations and Research (2020). 2(12). С. 82-91.
19. Кодиров Ж.Р., Хакимова С.Ш., Мирзаев Ш.М. Анализ характеристик параболического и параболоцилиндрического концентраторов, сравнение данных, полученные на них // Вестник ТашИИТ. № 2, 2019. C. 193-197.
20. Kakhkhorov S.K., Juraev H.O. Modeling of heat-physical processes in solar dryers // Journal of critical reviews. 7:17 (2020). С. 9-15.
21. Каххоров С.К., Жураев Х.О. Альтернативные источники энергии // Учебник. Ташкент. Нисо-полиграф (2016). С. 214.
22. Kakhkharov S.K., Juraev H.O. Use of alternative energy sources at natural sciences lessons // The Way of Science, 2017. № 2. С. 148-150.
23. Qahhorov S.Q., Samiev K.A., Jo'raev H.O. Process modeling in solar devices. Monograph. Tashkent. ITAPRESS, 2014. 208 с.
24. Juraev Kh.O., Khamdamova N.M. Using alternative energy sources in education // Modern humanitarian research, 2015. № 3. С. 42-48.
