Письма в ЖЭТФ, том 90, вып. 2, с. 126-129
© 2009 г. 25 июля
Электронный спиновый резонанс сплава Гейслера YbRh2Pb
В. А. Иваньшин^, Т. О. Литвинова, А. А. Суханов+, Д. А. Соколов*2\ М. К. ApoHconAvn 2) Казанский государственный университет, 420008 Казань, Россия + Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского РАН, 420029 Казань, Россия * School of Physics and CSEC, University of Edinburgh, Edinburgh EH9 3JZ, United Kingdom & Department of Physics, University of Michigan, Ann Arbor, Michigan 48109-1120, USA v Condensed Matter Physics and Materials Science Department, Brookhaven National Laboratory, Upton NY, USA
nAmes Laboratory, U.S. Department of Energy, and Department of Physics and Astronomy, Iowa State University, Ames, IA 50011, USA
Поступила в редакцию 5 июня 2009 г.
Сигнал электронного спинового резонанса (ЭСР) обнаружен в концентрированной кондо-решетке -сплаве Гейслера УЫШгРЬ - и приписан совместному влиянию 4/ локальных магнитных моментов Yb3+ и электронов проводимости. Показано, что значительное уширение и исчезновение линии ЭСР при температуре выше 20 К обусловлено процессами спин-решеточной релаксации ионов Yb3+ через первый возбужденный штарковский дублет с энергией активации Д и 73.5 К. Сопоставление данных по ЭСР в УЫШгРЬ и некоторых других недопированных интерметаллических соединениях на основе иттербия, церия и европия позволяет сделать вывод о принципиально новом источнике ЭСР - гибридизирован-ных электронных состояниях, возникающих в результате гибридизации локализованных 4/-электронов с коллективизированными электронами зоны проводимости.
РАСБ: 7I.27.-a, 76.30.-у,78.30.-§
В последнее время резко возрос интерес к исследованию соединений с тяжелыми фермионами (ТФ) на основе урана, церия, иттербия и других 4/- и 5/-элементов. Конкуренция нескольких взаимодействий различной природы (кристаллического электрического поля (КЭП), косвенного межспинового РККИ взаимодействия, гибридизации /-орбиталей с зонными состояниями, экранирования локализованных магнитных /-моментов вследствие эффекта Кондо и т.д.) определяет магнитные, зачастую уникальные свойства таких концентрированных кондо-систем [1]. Применение метода электронного спинового резонанса (ЭСР) при изучении этих веществ обычно невозможно без внедрения дополнительных парамагнитных зондов (как правило, редкоземельных (РЗ) ионов в концентрации менее 2%) из-за весьма интенсивной спин-решеточной релаксации (СРР) /-ионов и возникающих при этом очень широких линий ЭСР, которые не могут быть разрешены с помощью стандартных ЭСР-спектрометров. Детектирование сигналов ЭСР при температуре ниже температуры Кондо Т/ч в двух недопировнных ТФ
Ч e-mail: Vladimir.Ivanshin®ksu.ru
2'D.A. Sokolov, M.C. Aronson.
металлах на основе иттербия - УЬШ12 312 и УЫг2812 -указало на принципиально новую возможность использования ЭСР для прямого изучения ТФ соединений [2, 3]. Однако причины появления этих сигналов пока не поняты и являются предметом интенсивного обсуждения в литературе [4-10]. Недавние теоретические работы [7, 8] связывают ЭСР поглощение в неразбавленных кондо-системах с процессами гибридизации 4/-электронов с коллективизированными электронами при наличии в системе ферромагнитных (ФМ) флуктуаций, которые приводят к существенному сужению резонансной линии и, следовательно, к возможности ее наблюдения. Механизмы такой гибридизации пока мало изучены. В этом Письме мы сообщаем об обнаружении ЭСР еще в одном, недавно синтезированном, интерметаллиде УЬШггРЬ и анализируем его спиновую динамику в сравнении с двумя достаточно близкими по составу ТФ соединениями ¥Ы1Ь2812 и ¥Ыг2812.
УЬШггРЬ относится к группе тройных сплавов Гейслера со стехиометрическим соотношением X2YZ, где X, У - переходные металлы, Z - элемент III-V групп. Исследованные образцы были приготовлены по методу, подробно описанному в [11], и представляли собой небольшие (2 х 1 х 0.5 мм) кристал-
Электронный спиновый резонанс сплава Гейслера УЬЛЬг^ Ь
127
лы. Рентгеноструктурный анализ выявил двойнико-вание их кристаллической структуры, тетрагональную симметрию элементарной ячейки, а также наличие включений свинца (менее 1%) и еще более малых фракций ШгРЬг- Парамагнитная восприимчивость \ следовала закону Кюри-Вейса в диапазоне температур 1004300К с температурой Вейса © = —1.9±0.1К и эффективным моментом = 3.3±1 /¿в [И]- При Т < 20 К наблюдалось отклонение температурной зависимости 1/х от линейного закона, а антиферромагнитное упорядочение наступало ниже Тдг и 0.57 К. Измерения ЭСР проводились на спектрометре фирмы Вгикег ЕБМ/ркш (частота ~ 9.45 ГГц) в магнитных полях до 1.4 Тл.
Одиночный сигнал ЭСР с искаженной дайсонов-ской формой линии наблюдался в диапазоне температур от 4 до 25К (рис. 1). Значение ^-фактора д ~ 3.4 при Т = 5 К оказалось типичным для иона УЬ3+ в кристаллическом поле тетрагональной симметрии [2], но двойникование образцов не позволило детально изучить анизотропию локального парамагнитного центра. Ширина линии ЭСР ДНрр менялась в пределах от 500 до более чем 2000 Э, то есть примерно в том же диапазоне, что и для соединения УЬКЬ2 81г [2, 12]. Однако ее интенсивность оказалась для УЬКЬгРЬ примерно в 30 4- 40 раз меньше (в образцах приблизительно одинакового веса и размера и при идентичных условиях регистрации) и была сопоставима с интенсивностью фонового(паразитного) сигнала СВЧ резонатора (указанный стрелкой сигнал
Т =4.2Х
§
1 §
¡М 4
Cavity background
/
о £
и .¡=
р-
00 И
3000
2000
1000 -
10
Т (X)
15
20
Рис.2. Температурная зависимость ширины линии ЭСР в УЬИЬРЬ для частоты 9.45 ГГц. • - экспериментальные точки, сплошная линия - подгоночная кривая по
формуле (1) с параметрами А = 424 Э, В С = 69.5 кЭ, Д = 73.5 К
27 ЭКГ
где А = 424 ± 15 Э, В = 27 ± 2Э/К, С = 69.5 ± 2кЭ, Д = 73.5 К.
Параметр А обусловлен спин-спиновыми взаимодействием и неоднородным уширением линии ЭСР, а слагаемое ВТ представляет собой вклад в АНрр от корринговской релаксации за счет обменного взаимодействия спина иона иттербия с тепловыми флук-туациями спиновой плотности коллективизированных электронов. Третье слагаемое в соотношении (1) - результат тепловых флуктуаций электронных состояний ионов УЬ3+, которые приводят к случайным переходам этих ионов с основного на первый возбужденный штарковский подуровень с энергией активации Д = 73.5 К вследствие магнитных диполь-дипольных и обменных взаимодействий с окружением этих ионов. Этот механизм, предложенный в [2] для описания температурной зависимости параметров спектра ЭСР в УЬКЬ281г, ответственен и за температурную эволюцию ^-фактора (рис.3) при Т > 15 К, представленную соотношением
д(Т) = д0 + Ад0 ехр(^Д/Т), Дд0 = дехс - д0, (2)
0 1000 2000 3000 4000 5000 Н (Ое)
Рис.1. Производная сигнала поглощения ЭСР в монокристалле УЬИЬРЬ при 4.2 К. Стрелкой показан паразитный сигнал от СВЧ-резонатора
на рис.1). Температурная зависимость АНрр (рис.2) была описана формулой
АНРР = А +ВТ + Сехр(^Д/Т),
(1)
где до и дехс - эффективные ^-факторы основного и первого возбужденного подуровней иона УЬ3+. Функциональная зависимость (2) приведена на рис.3 в виде сплошной линии с Адо = —18.5 ± 1.5 и 9ехс = —15.1 ± 1.5. Таким образом, зависимости ЭСР параметров отражали характерные для ТФ соединений изменения их свойств с повышением температуры - переход от смешанного коррелированного состояния из локализованных 4/-состояний УЬ и фермиевских Зй-электронов № к парамагнетику с магнитными моментами 4/-оболочек, близких к магнитным моментам свободных ионов УЬ3+ [13]. Фи-
0
5
128
В. А. Иваньшин, Т. О. Литвинова, А. А. Суханов и др.
3.50
Л 3.25 3.0
0 5 10 15 20 Т (К)
Рис.3. Температурная зависимость д-фактора для ЭСР эксперимента на частоте 9.45 ГГц: - экспериментальные точки, сплошная линия - результаты теоретического расчета (2)
зические свойства ТФ систем при этом обусловлены двумя различными взаимодействиями - косвенным обменным взаимодействием РККИ и гибридизацией, то есть смешиванием волновых функций локализованных 4/-электронов и коллективизированных электронов незаполненных с1-, 8- и р-оболочек.
Однако электронные и магнитные свойства сплавов Гейслера X2YZ также в значительной степени определяются как Х-У гибридизацией, так и типом ер-элемента Z [14]. В то же время, степень такой гибридизации (величины перекрытия волновых функций) существенно зависит от изменения химического состава. Поэтому сравнение данных ЭСР-экспериментов в УЬШггРЬ, УЬШ12312 [2, 12] и УЬ1г2 81г [3] позволяет оценить вероятные эффекты / —(¿—р-гибридизации. Например, замещение родия (с конфигурацией внешних электронных оболочек Ш1 ([Кг]4еР5в2) иридием 1г ([Хе]5й7бв2) при переходе от УЬШ12312 к УЬ1г281г привело к значительному уменьшению вклада коллективизированных электронов в процессы ЭСР релаксации, но не оказало заметного влияния на интенсивность ЭСР сигнала. Можно предположить, что причиной этого является ослабление /—¿-гибридизации вследствие уменьшения количества ¿-электронов на внешней 5й-оболочке иридия. Напротив, замена кремния (рМе]Зв2Зр2) на свинец РЬ ([^]6р2) не вызвала качественного изменения характера спиновой динамики в УЬШггРЬ по сравнению с УЬШ12312, так как /—(¿-гибридизация при этом сильно не изменилась (если пренебречь небольшим изменением размеров элементарной ячейки и межатомных расстояний Yb-R.li [11, 15]). Однако степень / — р-гибридизации в УЬШггРЬ могла значительно уменьшиться из-за менее эффективного смешивания волновых функций 4/- и бр-оболочек по сравнению с
4/ — Зр-гибридизацией в YbRh2Si2, что и послужило причиной значительного ослабления интенсивности сигнала ЭСР в сплаве со свинцом.
Ослабление степени гибридизации в YbRl^Pb подтверждается и данными по определению положения первого возбужденного штарковского подуровня иона Yb3+ в YbRli2Pb. Тетрагональная симметрия кристаллического поля (КП) для иона Yb3+ (4/13, J = 7/2) приводит к расщеплению его мультипле-та на 4 крамерсовых дублета [16]. В результате изучения теплоемкости в YbRl^Pb [11] было установлено, что два нижних крамерсовых дублета расположены настолько близко, что обр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.