CC BY
68-10 декабря 2020 г.
КВАНТОВАЯ МАКРОФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД
Обменное расщепление зоны проводимости в EuB6
Журкин В.С., Анисимов М.А., Азаревич А.Н.
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук
E-mail: dok5555@mail. ru
Наличие двух последовательных - электронного при Тм » 16 К и магнитного при Тс » 14 К - фазовых переходов и связанных с ними аномалий транспортных и тепловых свойств в ферромагнитном полуметалле EuB6 (включая эффект колоссального магнитосопротивления (КМС) - уменьшение удельного сопротивления на 90 % в поле ~ 8 Тл в окрестности Тм) определяет важность идентификации механизмов обменного взаимодействия между локализованными магнитными моментами 4^оболочки ионов Eu2+ и Sd-электронами зоны проводимости [1-6]. Сам эффект КМС в EuB6 принято связывать с формированием магнитных поляронов в условиях обменного взаимодействия за счет локального спинового расщепления зоны проводимости и поляризации носителей заряда в ферромагнитной фазе гексаборида европия. Однако, несмотря на то, что степень спиновой поляризации зоны проводимости в EuB6 по результатам измерений туннельных спектров не превышает 56 % [6], данные резонансной неупругой рентгеновской спектроскопии (RIXS) и расчеты зонной структуры гексаборида европия указывают на возможную реализацию состояния с полностью поляризованными носителями заряда (half-metallic state) [5]. В такой ситуации дополнительную информацию о величине обменного взаимодействия и характере спинового расщепления зон в EuB6 можно получить из исследований квантовых осцилляций Шубникова - де Гааза.
В работе выполнены исследования транспортных (удельное сопротивление и эффект Холла) и магнитных свойств монокристаллических образцов EuB6, измеренных в диапазоне температур 1.8 - 300 К в магнитных полях до 8 Тл. Исследуемые монокристаллы EuB6 выращены в ИПМ НАНУ методом зонной плавки в атмосфере инертного газа с различным числом проходов
КВАНТОВАЯ МАКРОФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД
зоны. Для образца ЕиВ6, выращенного с одним проходом зоны, на полевых зависимостях удельного сопротивления в магнитном поле выше 2,5 Тл зарегистрированы квантовые осцилляции Шубникова -де Гааза. Из частоты осцилляций 29.4 Тл оценены площади сечения поверхности Ферми 8 » 2.78-1011 см 2 и волнового вектора
кг » 2.97-106 см-1.
кг »2.9/ -1о см . отвечающие концентрации носителей заряда п0 » 1.33-1018 см 3 в приближении изотропной поверхности Ферми с учетом трехкратного вырождения зоны проводимости в точках X зоны Бриллюэна. Оценка эффективной массы те-д-»0.19те (те -масса электрона) хорошо согласуется со значениями, ранее полученными для электронов проводимости из температурной зависимости коэффициента термоэдс [8]. При этом значение подвижности т » 1720 см2- В1- с1, рассчитанное из времени релаксации носителей заряда % » 0.186 пс, коррелирует с величиной холловской подвижности электронов проводимости в ферромагнитной фазе ЕиВ6 [3, 6].
В II [001] В II [111] В II [110]
28 -24 20 16 4 3
Ег
р 4.2 К р 2 К рн4.2К
Г » » Ь
¿лл
-I—I—£—.—I—>—I—I—I—I—¡-р.—I—I—I—I—1^-1—и
Ь 10 20 30 40 5(? 60 70 80 Л
В=6.25Т ■ р 4.2 К • рн 4.2 К
. н :
10 20 30 40 60 ео 70 во 90
Ф(°)
Рис. 1. Зависимости частоты (сверху) и амплитуды квантовых
осцилляций Шубникова - де Гааза от направления магнитного поля.
Черные (красные) символы - данные, отвечающие осцилляциям
удельного (холловского) сопротивления.
Оценки параметров носителей заряда позволяют
предположить, что носители заряда, определяющие квантовые
осцилляции удельного сопротивления в ферромагнитной фазе ЕиВ6,
8-10 декабря 2020 г.
отвечают состояниям подзоны электронов со спинами, поляризованными противоположно направлению магнитного поля (nx = n0). Из значения холловской концентрации nH » 3.57-1019 см3 можно оценить концентрацию электронов со спином, поляризованным по полю, nt = nH - nx » 3.44-1019 см 3. Рассчитанная степень спиновой поляризации P = (nt - nx)/nH »92 % недостаточна для реализации полностью спин-поляризованного (half-metallic) состояния в ферромагнитной фазе EuB6. В свою очередь, оценка энергии обменного взаимодействия дает значение J » 70 мэВ, согласующееся с литературными данными [6, 8].
Важным результатом исследования являются измерения, полученные при изменении ориентации образца в магнитном поле. Впервые обнаружено, что при прохождении магнитным полем положения, соответствующего B||[111], амплитуда осцилляций магнитосопротивления уменьшается практически до нулевых значений, и в окрестности B||[111] доминируют осцилляции в холловском сопротивлении (рис. 1). Поскольку эффект наблюдается для трёх эквивалентных экстремальных сечений эллипсоидов поверхности Ферми, уменьшение амплитуды квантовых осцилляций следует связать с резким падением времени релаксации. Выяснение механизма усиления рассеяния носителей заряда для выделенных электронных орбит в коллинеарной ферромагнитной фазе EuB6 требует дополнительного изучения.
Исследование выполнено при поддержке РФФИ (№18-02-01152). Авторы благодарны Глушкову В.В., Богачу А.В., Божко А.Д., Шицеваловой Н.Ю., Случанко Н.Е. и Демишеву С.В. за совместные эксперименты и обсуждение результатов.
1. J. Etoumeau, P. Hagenmuller, Phil. Mag. B, 1985, 52, 589.
2. S. Sullow et al., Phys. Rev. B, 1998, 57, 5860.
3. В.В. Глушков и др., ЖЭТФ, 2006, 132, 150.
4. U. Yu, B.I. Min, Phys. Rev. B, 2006, 74, 094413.
5. J. Kim et al., Phys. Rev. B, 2013, 87, 155104.
6. Z. Xiaohang et al., Phys. Rev. Lett., 2008, 100, 167001.
7. V. Glushkov et al., Phys. Stat. Sol. (b), 2013, 250, 618.
8. V. Glushkov et al., Phys. Stat. Sol. (b), 2016, 254, 1600571.
