CC BY
8
ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА
Поляризационный анализ для интерпретации плохо разрешенных синхротронных
мессбауэровских спектров
Р.А. Баулин,1'2,а М.А. Андреева,1 А.И. Чумаков,3,2 Д. Бессас,3 Р. Рюффер3
1 Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, физический факультет
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2
2 Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт». Россия, 123182, Москва
3 ESRF-The European Synchrotron. CS40220, 38043 Grenoble Cedex 9, France
Поступила в редакцию 17.12.2021, после доработки 19.01.2022, принята к публикации 24.01.2022.
В работе продемонстрировано использование поляризационного анализа отраженного излучения для выявления вкладов от магнитоупорядоченных фаз в плохо-разрешенных мессбауэровских спектрах, полученных с п-поляризованным излучением от синхротронного месбауэровского источника. Исследование проведено для кластерно-слоистой структуры [57Fe(0.08нм)/Сг(1.08нм)]30, в результате которого показано, что только 16% атомов железа ферромагнитно-упорядочены, остальная часть атомов железа находится в состоянии спинового стекла.
Ключевые слова: мессбауэровская спектроскопия, тонкие пленки, кластерные структуры. УДК: 53.083.2,539.2,53.08. PACS: 76.80.+y, 75.70.Cn, 36.40.-c, 07.85.-m, 61.10.Kw.
ВВЕДЕНИЕ
Поляризационный анализ излучения представляет собой важное для решения многих задач развитие метода мессбуэровской спектроскопии в геометрии пропускания или отражения. Реализация метода стала возможна на синхротронных станциях ядерно-резонансного рассеяния, оборудованных ядерными монохроматорами (SMS — Synchrotron Mossbauer Source [1-4]), позволяющими осуществлять мессбауэровские эксперименты на энергетической шкале (см., например, [5-9]). Практически полная линейная поляризация излучения SMS является предпосылкой осуществления поляризационного анализа прошедшего или рассеянного излучения. Если селекция «повернутой» поляризации в прежних мессбауэровских экспериментах, осуществляемых на временной шкале, использовалась для подавления мгновенного нерезонансного рассеяния [10-12], то в мессбауэровских экспериментах на энергетической шкале с использованием SMS поляризационный анализ может существенно помочь в интерпретации результатов исследования. Первые эксперименты с поляризационным анализом продемонстрировали интересные особенности угловых зависимостей и спектров отражения, измеренных с селекцией «повернутой» п ^ а' поляризации: наличие пика вблизи угла полного внешнего отражения на кривых ядерно-резонансной рефлектометрии и изменение формы спектров отражения в области полного отражения [13], возможность разделения ферро- и антиферромагнитных фаз в мессбауэровских спектрах отражения [14], решения задач однозначного определения особенностей реориентации спинов в исследуемых антиферромагнитных структурах [15].
В настоящей работе мы предлагаем использовать поляризационный анализ для интерпретации плохо разрешенных мессбауэровских спектров, которые являются типичными как для образцов с содержанием
нанокластеров железа [16], так и для железосодержащих сплавов [17]. Отметим, что поляризационный анализ возможен не только для спектров отражения (рис. 1, а), исследованных в нашей работе, но и в экспериментах на пропускание (рис. 1, б).
Детектор
а
Детектор
б
Рис. 1. Схемы измерения мессбауэровских спектров отражения (а) и поглощения (б) с селекцией «повернутой» п ^ а' поляризации
а E-mail: baulin.roman@physics.msu.ru
1. ЭКСПЕРИМЕНТ
Эксперимент проведен на станции ядерно-резонансного рассеяния ID18 [18] Европейского синхротрона (ESRF, Гренобль, Франция) с использованием «синхротронного мессбауэровского источника» [4]. Измерения проводились при температуре 4 К в скользящей геометрии. Внешнее магнитное поле Hext = 1T было приложено вдоль пучка СИ. Для поляризационного анализа излучения, отраженного от резонансного образца, в настоящей работе использовался монокристалл LiF (отражение (622)), обеспечивающий максимально полный захват отраженного излучения, благодаря достаточно большой ширине брэгговского пика ~ 90" [14]. В геометрии на пропускание, где не требуется большая аппретура кристалла-анализатора, возможно использование кристалла Si (отражение 840).
В работе исследовался кластерно-слоистый образец [57Fe(0.08 нм)/Сг(1.08 нм)]30 с ультратонкими слоями железа. Вследствие существенного перемешивания ультратонких слоев и малого оптического контраста для слоев Fe и Cr, рентгеновские рефлектометрические кривые не выявили наличие периодичности в структуре. Мессбауэровские измерения с использованием SMS проводились в области полного внешнего отражения при угле скольжения в = 0.2°, в этих условиях мессбауэровские спектры отражения, измеренные без анализа поляризации, похожи на спектры поглощения, а спектры, измеренные с анализатором «повернутой» п ^ а' поляризации отраженного пучка, всегда имеют вид спектров испускания [13].
2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты измерения, представленные на рис. 2, а,б, наглядно демонстрируют, что селекция поляризации в отраженном пучке обеспечивает существенно лучшее разрешение резонансных компонент. Это обусловлено, во-первых, отсутствием вклада нерезонансного рассеяния на электронных оболочках всех атомов в образце и, во-вторых, участием в формировании «повернутой» поляризации только тех резонансных ядер и тех ядерных переходов, которые обеспечивают наличие дихроичного эффекта. При планарной ориентации намагниченности в образце возникновение «повернутой» поляризации связано только с линиями мессбауэровского магнитного секстета 1,3,4 и 6, и только для ядер, сверхтонкое поле на которых имеет нескомпенсированную составляющую в направлении пучка излучения.
Обработка полученных спектров проводилась с использованием разработанного нами программного комплекса REFSPC [19, 20], который позволяет проводить расчет и обработку мессбауэровских спектров отражения, рентгеновской и мессбауэровской рефлектометрии от многослойных структур. Расчеты выполняются для п-поляризованного падающего излучения, т.е. излучения от синхротронного мессбау-эровского источника [4]. Вычисления коэффициента отражения проводятся методом 4х4-матриц распространения [21-24]. При обработке экспериментальных данных оптимизация варьируемых параметров
13000
я
о н
W О ё
о
Ц
о
к
Д
н о о И Я
к
о И w н и К
12000
11000
10000
9000
40
Эксперимент Обработка
-2 0 2 Скорость, мм/с
4
нт
К
30
20
10
п^ 0
Эксперимент Обработка
—I-1-\-<-г-
-2 0 2 Скорость, мм/с
Рис. 2. Мессбауэровские спектры отражения (0=0.2°) от кластерно-слоистой структуры [57Fe(0.08 нм)/Сг(1.08 нм)]3о, измеренные без анализа поляризации (а) и с селекцией «повернутой» п ^ а' поляризации (б) в магнитном поле Hext = 1 Т
осуществляется методом последовательного градиентного спуска (использовался в данной работе) или методом Нелдера—Мида. Для данной работы программный пакет был дополнен программой обработки спектров, измеренных с селекцией по поляризации отраженного излучения.
На рис. 3 представлена функция распределения
hf
для исследуе-
величины сверхтонкого поля Р( В
мого образца и та ее часть, которая соответствует ферромагнитно-упорядоченной фазе. Как видно из рис. 3, магнитное упорядочение во внешнем поле 1 Т имеет место только для небольшой части атомов железа, сверхтонкое поле на ядрах которых соответствует ~ 14.5 и 10.5 Т. Важно отметить, что общий
вид Р( ) оказалось однозначно получить только при совместной обработке спектров, измеренных с селекцией «повернутой» п ^ а' поляризации и без анализа отраженной интенсивности.
Как следует из площадей полученных распределений, только 16% атомов железа находятся в ферромагнитном состоянии, остальная часть атомов железа находится в состоянии спинового стекла [20].
а
б
0
0.10-
Полное распределение
Ненамагниченные компоненты
Намагниченные компоненты
\
10 15
Сверхтонкое поле, Т
Рис. 3. Функция распределения Р(Бь/) величины сверхтонкого поля , полученная при одновременной обработке спектров на рис. 2. Толстая линяя — полное распределение сверхтонкого поля Р(|(БЬ/)|), тонкая линяя — намагниченные ферромагнитные компоненты, выстроенные полем 1 Т, пунктирная линяя — ненамагниченные компоненты
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Поляризационный анализ рассеянного излучения позволяет выявить вклад от магнитоупорядочен-ных фаз в плохоразрешенные синхротронные месс-бауэровские спектры. Применение данной методики в иссследовании кластерно-слоистой структуры [57Ее(0.08 нм)/Сг(1.08 нм)]3о, показало, что только 16% атомов железа ферромагнитно-упорядочены, остальная часть атомов железа находится в состоянии спинового стекла. Отметим, что продемонстрированный в данной работе способ может быть эффективен для интерпретации не только сложных спектров отражения, но и плохоразрешенных спектров поглощения.
Авторы признательны Ю.А. Бабанову, Д.А. Пономареву, М.А. Миляеву, Л.Н. Ромашеву, В.В. Устинову (ИФМ УрО РАН) за изготовленный и предоставленный нам образец с ультратонкими прослойками 57Ее. Авторы благодарны А. Рогалеву (ЕБИЕ) за возможность использования монокристалла ЫЕ. Авторы благодарны ЕБИЕ за предоставленное экспериментальное время на станции ГО18 (проект МА-4429). Работа Р.А. Баулина и М.А. Андреевой выполнена в рамках госбюджетной темы №01200108657.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Smirnov G.V., van BUrck U., Chumakov A.I. et al. // Phys. Rev. B. 1997. 55. P. 5811.
2. Mitsui T., Seto M., Kikuta S. et al. // Jpn. J. Appl. Phys. 2007. 46. P. 821.
3. Mitsui T., Hirao N., Ohishi Y. et al. // J. Synchrotron Rad. 2009. 16. P. 723.
4. Potapkin V., Chumakov A.I., Smirnov G.V. et.al. // J. Synchrotron Rad. 2012. 19. P. 559.
5. Kupenko I., McCammon C., Sinmyo R. et al. // Earth Planet. Sci. Lett. 2015. 423. P. 78.
6. Andreeva M.A., Baulin R.A., Chumakov A.I. et al. // Phys. Rev. B. 2018. 97. 024417.
7. Adler P., Medvedev S.A., Naumov P. G. et al. // Phys.Rev. B. 2019. 99. 134443.
8. Mitsui T., Sakai S., Li S. et al. // Phys. Rev. Lett. 2020, 125, 236806.
9. Lyubutin I., Starchikov S., Troyan I. et al. // Molecules. 2020. 25. P. 3808.
10. Siddons D.P., Bergmann U., Hastings J.B. // Phys. Rev. Lett. 1993. 70. P. 359.
11. Toellner T.S., Alp E.E., Sturhahn W. et al. // Appl. Phys. Lett. 1995. 67. P. 1993.
12. C. L'abbй, R. Coussement, J. Odeurs et al. // Phys. Rev. B. 2000. 61. P. 418.
13. Andreeva M.A., Baulin R.A., Chumakov A.I. et al. // Condensed Matter. 2019. 4. 8.
14. Andreeva M.A., Baulin R.A., Slinko O.V. et al. // J. of Physics: Conference Series. 2019. 1389. 012016.
15. Баулин Р.А., Андреева М.А., Чумаков А.И. и др. // Письма в ЖЭТФ. 2021 113, № 3. С. 175. (Baulin R.A., Andreeva M.A., Chumakov A.I. et. al. // JETP Lett. 2021. 113. P. 162.)
16. Andreeva M.A., Baulin R.A., Chumakov A.I. et al. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017. 440. P. 225.
17. Voronina E.V., Arzhnikov A.K., Chumakov A.I. et al. // Advances in Condensed Matter Physics. 2018. 5781873.
18. Ruffer R., Chumakov A.I. // Hyperfine Interact. 1996. 97/98. P. 589.
19. Andreeva M.A. // Hyperfine Interact. 2008. 185. P. 17.
20. Andreeva M. A., Lindgren B., Panchuck V. http://www.esrf.eu/Instrumentation/software/data-analysis/OurSoftware/REFTIM-1.
21. Борздов Г.Н., Барковский Л.М., Лаврукович В.И. // Журнал прикладной спектроскопии. 1976. 25. С. 526.
22. Аззам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет. Пер. под ред. А.В. Ржанова и К.К. Сви-ташева. Глава IV, § 5.7. М.: Мир, 1981. (Azzam R, Bashara N. Ellipsometry and Polarized Light. North-Holland P.C., 1977.)
23. Андреева М. А., Росете К. // Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 1986. 27, № 3. С. 57.
24. Irkaev S.M., Andreeva M.A., Semenov V.G. et al. // Nuclear Instrum. and Methods in Phys. Res. 1993. B74, P. 554.
25. Ustinov V. V., Milayev M. A., Romashev L. N. et al. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2006. 300. e281.
Polarization Analysis for the Interpretation of Poorly Resolved Synchrotron Mössbauer Spectra
R.A. Baulin1-2 ", M.A. Andreeva1, A.I. Chumakov32, D. Bessas3, R. RUffer3
1 Department of Physics, Lomonosov Moscow State University. Moscow 119991, Russia 2Kurchatov Institute National Research Center. Moscow 123182, Russia 3ESRF-The European Synchrotron. Grenoble 38000, France E-mail: abaulin.roman@physics.msu.ru
This work demonstrates the usage of polarization analysis of reflected radiation to reveal the contributions from magnetically ordered phases in poorly resolved Mossbauer spectra obtained with п-polarized radiation from the Synchrotron Mossbauer Source. The study was carried out for the cluster-layered structure [57Fe (0.08 nm)/Cr(1.08 nm)]30. As a result it was shown that only 16% of iron atoms are ferromagnetically ordered, the rest of the iron atoms are in spin glass state.
Keywords: Mossbauer spectroscopy, thin films, cluster structures. PACS: 76.80.+y, 75.70.Cn, 36.40.-c, 07.85.-m, 61.10.Kw. Received 17 December 2021.
English version: Moscow University Physics Bulletin. 2022. 77, No. 1. Pp. 57-60.
Сведения об авторах
1. Баулин Роман Алексеевич — канд. физ.-мат. наук, науч. сотрудник; тел.: (495) 939-12-26, e-mail: baulin.roman@physics.msu.ru.
2. Андреева Марина Алексеевна — доктор физ.-мат. наук, вед. науч. сотрудник; тел.: (495) 939-12-26, e-mail: mandreeva1@yandex.ru.
3. Чумаков Александр Игоревич — Dr., scientist in charge at 1D18 beamline of ESRF; e-mail: chumakov@esrf.fr.
4. Dimitrios Bessas — Dr., scientist at 1D18 beamline of ESRF; e-mail: dimitrios.bessas@esrf.fr.
5. Rudolf Rüffer — Dr., scientist emeritus at 1D18 beamline of ESRF; e-mail: rueffer@esrf.fr.
