CC BY
10
УДК 537.311.31
М.А. Анисимов1, А.В. Богач2, В.В. Глушков2, С.В. Демишев2, Н.А. Самарин2, В.Б. Филипов3, Н.Ю. Шицевалова3, Н.Е. Случанко2
1 Московский физико-технический институт (государственный университет)
2 Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН 3 Институт проблем материаловедения им. И.М. Францевича НАНУ
Новая магнитная фаза в гексабориде празеодима
На высококачественных образцах гексаборида празеодима (PrBö) выполнены исследования угловых и полевых зависимостей поперечного магнитосопротивления в интервале температур 2 К < T < 8 Кв магнитном поле до 80 кЭ. Анализ полученных данных Др(Н )/р вдоль направления H || < 110 > позволяет обнаружить новую магнитную фазу в антифер-ромагнитном (АФМ) состоянии PrBö. При этом новая магнитная фаза наблюдается в узком диапазоне углов вблизи H|| < 110 >. Полученные данные снимают существовавшие ранее противоречия в представлении магнитной фазовой диаграммы PrB6.
Ключевые слова: гексабориды, магнитосопротивление, спиновая поляризация, феррон.
I. Введение
В последнее время гексаборид празеодима (РгВб) вызывает значительный интерес у исследователей. Располагаясь в ряду ИВб между гек-саборидом церия (СеВб) с промежуточной фазой в виде волны спиновой плотности [1] и гексабо-ридом неодима (МёВб) с антиферромагнитной соразмерной (АФМ С) фазой (Н ^ 150 кЭ) [2], РгВб демонстрирует сложный вид магнитной Н—Т фазовой диаграммы с двумя фазовыми переходами: в АФМ несоразмерную (НС) (Т < Т^ ~ 7 К) и АФМ соразмерную фазы (Т < Тм ~ 4,2 К) [3, 4] (рис. 1). При этом в гексабориде празеодима в АФМ С фазе по данным [3] наблюдается также переход в магнитном поле Н > Не ~ 20 кЭ для направления Н || < 110 > к простой (з1^1е-к) коллинеарной магнитной структуре (С#). Значительная анизотропия Н—Т фазовой диаграммы в РгВб отмечена авторами [4], в работе которых только для направления магнитного поля Н || <
< 111 > установлен положительный наклон границы Тм (Н) и переход в несоразмерную фазу НС2 в сильных полях. В то же время большой шаг по температуре и магнитному полю при построении Н-Т фазовой диаграммы, допущенный в работах [3, 4], существенно затрудняет идентификацию природы магнитных фаз в этом соединении.
С этой целью в работе выполнены комплексные измерения угловых и полевых зависимостей магнитосопротивления Др(Н,^,То)/р гексаборида празеодима в магнитном поле до 80 кЭ и в области температур 2-8 К.
II. Методика эксперимента
Исследуемые в работе монокристаллы гексаборида празеодима РгВб высокого качества
(Тм ~ 6,7 К, Тм ~ 4,6 К) выращены в институте проблем материаловедения НАНУ методом вертикального бестигельного индукционного зонного плавления с двукратным переплавом в атмосфере аргона [5]. Контроль качества образцов осуществлялся при помощи рентгеноструктурного и микрозондового анализов. Подготовка образцов к измерениям угловых зависимостей сопротивления включала электроэрозионную резку и последующую шлифовку. Особое внимание уделялось удалению поверхностного слоя, нарушенного в результате электроэрозионной и механической обработок, для чего после шлифовки образцов проводилось химическое травление поверхности в водном растворе азотной кислоты.
Н, кЭ
т, К
Рис. 1. Магнитная Н — Т фазовая диаграмма PrB6 для направления поля Н|| < 110 >. С (СН) —соразмерная, НС — несоразмерная антиферромагнитные фазы
Измерения угловых зависимостей сопротивления проводились методом вращения с пошаговой фиксацией положения образца в постоянном магнитном поле [6]. Высокая точность стабилизации температуры (ДТ ~ 0,01 К-0,02 К) и магнитного поля (около 10~5 при 80 кЭ), необходимая для прецизионных исследований характеристик зарядового транспорта, достигалась благодаря использованию оригинального температурного контроллера на цифровых сигнальных процессорах (CRYOTEL, ТС 1,5/300) в схеме с эталонным термометром модели СЕЯМОХ-1050 и источника тока сверхпроводящего магнита (CRYOTEL,
БЫ РБ-120). Измерения малых напряжений с потенциальных контактов к образцу осуществлялись благодаря использованию двухканальных нановольтметров КеуШеу (США) модели 2182. Для уменьшения влияния паразитных термоэдс и других наводок измерения проводились на постоянном токе в режиме коммутации измерительного тока через образец. Сбор и обработка экспериментальных данных, а также управление параметрами и режимами работы устройств и блоков осуществлялись системой регистрации и управления на базе микропроцессорного устройства, связанного с персональным компьютером.
Рис. 2. Угловые зависимости нормированного сопротивления
р(^,Ио,То)/р(0,Ио,То) PrB6 для (а, б) АФМ С фазы, (в) АФМ НС фазы. Вертикальными линиями обозначены направления магнитного поля: И|| < 110 > (сплошная линия) и И || < 111 > (пунктирная линия)
60 80 0
Н, кЭ
Рис. 3. Полевые зависимости (а) магнитосопротивления и (б) производной магнито-сопротивления по полю в АФМ фазе PrB6 для направления магнитного поля вдоль Н|| < 110 >
III. Результаты и дискуссия
На рис. 2 представлены угловые зависимости нормированного сопротивления р(^,Н0,Т0)/р(0,Н0,Т0) для температур, соответствующих 2а, 2б АФМ соразмерной и 2в АФМ несоразмерной фазе РгВб в магнитном поле до 60 кЭ. Как видно из рис. 2, направления Н|| <
< 110 > и Н || < 111 > оказываются выделенными для всех представленных температур. В частности, для температуры Т = 2,8 К наблюдается резкий минимум в магнитных полях Н ^ 35 кЭ вдоль направления Н|| < 110 >. Окрестность перехода в АФМ НС фазу при Т = 4,2 К характеризуется крайне необычным поведением углового сопротивления, рис. 2б. Так, в сильных магнитных полях Н ^ 40 кЭ вместо заметного минимума, характерного для низких температур, на кривых р(^,Но,То)/р(0,Но,То) наблюдается резкий положительный пик, соответствующий узкому интервалу углов вблизи ориентации магнитного поля Н|| < 110 >. В АФМ НС фазе при Т > Тм форма кривых р(^,Н0,То)/р(0,Н0,Т0) близка к меандру при Н ^ 20 кЭ. С ростом поля в окрестности Н || < 110 > образуется минимум малой амплитуды (рис. 2в). Данная работа посвящена исследованию поперечного магнитосопротивления вдоль ориентации Н || < 110 >.
Представленные на рис. 3а полевые зависимости Др(Н)/р демонстрируют значительное усиление амплитуды магнитосопротивления до значений Др(Н)/р ~ 160% ниже Тм ~ 4,6 К, сопровождающееся появлением полевого гистерезиса. Переход в АФМ несоразмерную фазу (Тм <
< Т < Т^ ~ 6,7 К) приводит к значительному уменьшению амплитуды магнитосопротивле-ния (рис. 3а) (Т = 5,3 К) и подавлению особенностей на кривых Др(Н)/р в сильном магнитном поле (рис. 4). Наиболее наглядно изменения магнитосопротивления с ростом Н в интервале температур ниже Тм показаны на полевых зависимостях производной магнитосопротив-ления (рис. 3б). Кривые ¿[Др(Н)/р\/д,Н демонстрируют наличие двух особенностей для каждой кривой, соответствующих, по-видимому, двум близко расположенным магнитным фазовым переходам, причём высокополевой особенности отвечает пик производной наибольшей амплитуды.
В результате анализ полевых зависимостей ¿[Др(Н)/р]/ё,Н позволяет установить вид Н—Т магнитной фазовой диаграммы с дополнительной фазой ниже Тм (Н), рис. 1. Представленные на рис. 1 данные из работ [3, 4], полученные при измерениях намагниченности [3] и продольного маг-нитосопротивления [4], демонстрируют наличие только одной ветви Тм (Н), зарегистрированной каждым из двух методов. В то же время существует заметное несоответствие поведения фазовой границы Тм (Н) из данных [3, 4], что, на наш
взгляд, следует связать с различием экспериментальных методик. Указанное различие используемых в [3, 4] экспериментальных методик вместе со значительной величиной интервала между точками по температуре [4] и по магнитному полю [3], по нашему мнению, не позволили авторам обнаружить дополнительную фазу ниже Тм (Н) (рис. 1) (МИ).
По нашему предположению, учитывая характер гистерезиса, новая фаза имеет ферромагнитную природу. К аналогичному выводу приводят также результаты разделения вкладов в магни-тосопротивление в рамках спин-поляронного подхода, полученные в [7]. Численный анализ маг-нитосопротивления, выполненный в работе [7], позволяет сделать вывод о формировании магнитных кластеров наноразмера, димеров, состоящих из локализованных магнитных моментов 4/-оболочки Рг3+ и спин-поляризованных областей 5^-состояний (ферронов) вдоль направления Н || < 110 >. Однако для окончательной проверки необходимы дальнейшие подробные измерения, включая полевые и угловые зависимости намагниченности в РгВб.
2 3 4 5 6 7
т, к
Рис. 4. Температурные зависимости амплитуды магни-тосопротивления РгВб в постоянном магнитном поле
IV. Заключение
Представленные в работе подробные измерения анизотропии поперечного магнитосопротивле-ния в гексабориде празеодима РгВб указывают на наличие новой магнитной фазы в окрестности температуры Tm ~ 4,6 К для ориентации магнитного поля Н|| < 110 >. Наличие гистерезиса на кривых Др(Н)/р указывает на возможное фазовое расслоение в АФМ фазе с формированием магнитных 5^-ферронов и на их значительный вклад в образование новой фазы.
Литература
1. Sluchanko N.E., Bogach A.V. [et al.]. Enhancement of Band Magnetism and Features of the Magnetically Ordered State in the CeB6 Compound with the Strong Electron Correlations // JETP. — 2007. — V. 104. — P. 120.
2. Awaji S., Kobayashi N. [et al.]. Metamagnetic transition in NdB6 with a small magnetic anisotropy
in Low magnetic fields // J. Phys. Soc. Jpn. — 1999. — V. 68. — P. 2518.
3. Sera M., Kobayashi S. [et al.]. Crystal Structure and Magnetic Anisotropy in the Magnetic ordered Phases of PrB6 // J. Phys. Soc. Jpn. — 2004. — V. 73. — P. 3422.
4. Kobayashi S., Sera M, Hiroi M. [et al.]. Anisotropic Magnetic Phase Diagram of PrB6 Dominated by the Oxy Antiferro-Quadrupolar Interaction // J. Phys. Soc. Jpn. — 2001. — V. 70. — P. 1721.
5. Шицевалова Н.Ю. Магнитные, термические и транспортные свойства додекаборидов редкоземельных элементов: канд. дис. — 2001. — Вроцлав.
6. Sluchanko N.E., Bogach A.V. [et al.]. Genesis of the anomalousHalleffectinCeJAl2//JETP. — 2004. — V. 98. — P. 793.
7. Anisimov M.A., Bogach A.V., Glushkov V.V. [et al.]. Magnetoresistance and Magnetic Ordering in Praseodymium and Neodymium Hexaborides // JETP. — 2009. — V. 109. — P. 815.
Поступила в редакцию 05.01.2010.
