научная статья по теме ФАЗА ГРИФФИТСА, МАГНИТНЫЕ И ТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА ДОПИРОВАННЫХ МАНГАНИТОВ Физика

Текст научной статьи на тему «ФАЗА ГРИФФИТСА, МАГНИТНЫЕ И ТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА ДОПИРОВАННЫХ МАНГАНИТОВ»

ФАЗА ГРИФФИТСА, МАГНИТНЫЕ И ТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА ДОПИРОВАННЫХ МАНГАНИТОВ

В. Н. Криворучкоа* М. А. Марченкоь**

Донецкий физико-технический институт им. А. А. Галкина Национальной академии наук Украины.

83114, Донецк, Украина

Поступила в редакцию 2 августа 2011 1".

Предложена феноменологическая модель магнитных и магниторезистивных свойств ферромагнитных манганитов. Модель основана на методах, используемых при описании систем с гистерезисом, учитывает эффекты фазовой сепарации и предполагает переход ферромагнитных манганитов в фазу Гриффитса при температуре выше температуры Кюри. Формализм позволяет описывать проводящие свойства системы в температурном интервале от низких температур до температуры Гриффитса (Та). В рамках единого подхода удается качественно объяснить совокупность экспериментально установленных закономерностей в поведении ферромагнитных манганитов на основе изучения температурных и полевых зависимостей сопротивления и намагниченности, гистерезисных свойств и магниторезистивного эффекта (МРЭ), дать общую классификацию манганитов по величине МРЭ и др. Параметром, отвечающим за характер отклика системы на тепловые эффекты, является отношение наибольшего энергетического барьера, разделяющего различные состояния системы при нулевой температуре Ил(0), к энергии тепловых флуктуаций И~с[1 при Та. Установлено, что отношение И'л(0)/И~с[1 определяет температурный интервал существования фазы Гриффитса. Показана взаимосвязь между величиной МРЭ и значением параметра И?л(0)/№с/| данной системы. Обсуждаются особенности поведения намагниченности и сопротивления манганитов в фазе Гриффитса.

1. ВВЕДЕНИЕ

Несмотря па большое количество сообщений, посвященных свойствам манганитов, общепринятого объяснения магнитотранспортных характеристик этих материалов все еще нет. Эксперименты по исследованию магниторезистивных свойств во многих случаях показывают сложную взаимосвязь между проводимостью и намагниченностью, а также важную роль термодинамической истории системы. Вместе с тем, в настоящее время экспериментально установлен ряд общих закономерностей в поведении допированных манганитов [1 5]. Так, температурная зависимость сопротивления имеет хорошо выраженный максимум. Температура, соответствующая максимуму сопротивления в нулевом магнитном поле, температура перехода металл изолятор Tmi, близка к температуре Кюри Тс- Величина магниторезистивного эффекта с ростом Тс уменьшается. Для веществ с большей температурой Кюри

* E-mail: krivorucfiiaivoruc.fti.ac.donetsk.ua

**E-mail: marchenko'ffl.fti.dn.ua

амплитуда пика сопротивления меньше, чем для соединений с меньшим значением Тс • Во внешнем магнитном поле сопротивление уменьшается, а температура Тм1 увеличивается. Выше Тс зависимость сопротивления от величины намагниченности аппроксимируется экспоненциальной кривой вида ехр(—;у;М2), причем константа \ меньше для соединений с большей температурой Кюри.

Как неоднократно было показано, магнитные свойства манганитов хорошо описываются теорией двойного обмена между попами марганца Мп+3 и Мп+4 через анион кислорода О-2 [1 5]. Считается, что электрон, переходящий от катиона к катиону, отвечает как за ферромагнетизм, так и за проводимость. Однако теория двойного обмена исходит из однородного состояния системы, тогда как одной из особенностей ферромагнитных манганитов, демонстрирующих колоссальный магниторезистивный эффект, является фазовая сепарация разбиение вещества на кластеры с различными магнитными и проводящими характеристиками [1 5]. В настоящее время активно предпринимаются попытки описать

эффекты фазовой сепарации в рамках обобщения представлений о фазе Гриффитса [6 14].

В классической модели фаза Гриффитса возникает в магнетиках, у которых отсутствует часть магнитных связей [15,16]. Было показано, что у такого типа систем выше температуры Кюри Тс реализуется новая фаза, представляющая собой ферромагнитные кластеры в парамагнитной матрице. Этот фазовый режим обычно и называется фазой Гриффитса [6 14]. Гриффите [15] показал существование особенностей в термодинамических свойствах системы в температурном интервале Тс(р) < Т < Тс-Величина этого интервала определяется параметром р вероятностью того, что магнитные связи в магнетике не будут разорваны. Температура Кюри Тс(р) температура, при которой формируется бесконечный ферромагнитный кластер, оказывается зависящей от степени разупорядоченности системы и определяет нижнюю температурную границу существования фазы Гриффитса. Температура Тс, соответствующая температуре Кюри идеальной системы, определяет верхнюю границу существования фазы Гриффитса и одновременно является температурой перехода в парамагнитную фазу.

Для манганитов существование фазы, подобной фазе Гриффитса, подтверждается наблюдением сигнала ФМР выше температуры Кюри [8,13], появлением в температурной зависимости восприимчивости участка с поведением, не характерным для ферромагнитного или парамагнитного состояний [6,7,12,14], существенным отличием критических индексов от их значений в теории фазовых переходов второго рода [6,9] и другими особенностями.

Несмотря на большое количество попыток, существенного прогресса в построении микроскопической теории магниторезистивпых свойств манганитов пока нет (см., например, обзор [17]). По-видимому, ключевым моментом здесь, как и в случае ВТСП-систем, является последовательный учет неоднородного основного состояния системы фазовой сепарации. В то же время известно, что всякая микроскопическая теория чтобы быть классической, должна содержать все, что необходимо, и ничего лишнего. Определить, что необходимо, а что лишнее, позволяют феноменологические модели.

Недавно в работах [18,19] была предложена феноменологическая модель магнитных и транспортных свойств ферромагнитных манганитов. Модель основана на методе Прейзаха, который традиционно применяется для моделирования свойств систем с гистерезисом и предполагает существование вы-

ше температуры Тс фазы Гриффитса. Исследованы основные закономерности транспортных свойств до-пированных манганитов выше и ниже температуры Тс и установлено, что в рамках сделанных предположений удается адекватно учесть эффекты фазовой сепарации манганитов. В работах [18,19] рассмотрен частный случай симметричного распределения функции Прейзаха. В данном сообщении изучается поведение систем с параметрами, присущими маг-нитомягким и магиитожестким материалам, исследованы их магнитные и магнитотранспортные свойства, включая гистерезисиые; приведены также результаты для симметричного распределения функции Прейзаха, не вошедшие в работы [18,19]. Показано, что в рамках данного подхода удается качественно объяснить всю совокупность экспериментально наблюдаемых закономерностей в поведении ферромагнитных манганитов: температурные и полевые зависимости сопротивления и намагниченности, магниторезистивные и гистерезисиые свойства, дать общую классификацию манганитов по величине магниторезистивного эффекта (МРЭ), восстановить область существования фазы Гриффитса и ДР-

2. МОДЕЛЬ ПРЕЙЗАХА И ФАЗА ГРИФФИТСА

2.1. Классическая модель Прейзаха

Развитый нами метод базируется на модели Прейзаха [20,21]. В классической модели Прейзаха предполагается, что система, для которой наблюдается необратимый магнитный отклик, состоит из большого числа физически бесконечно малых взаимодействующих объектов гистеронов. Каждый ги-стерон характеризуется элементарной прямоугольной петлей гистерезиса, определяемой полями переключения, На и /¡в, такими что На > Нв- При значениях магнитного поля Н > На гистерои находится в состоянии +//.; при Н < Нв в состоянии —//.; состояние гистерона в интервале полей Нв < Н < На зависит от термодинамической предыстории системы. Соответствие между реальной магнитной системой и системой гистеронов устанавливается при помощи функции Прейзаха Р{Нл,Нв)• Функция Р(Н \ .1>н) описывает плотность (число) гистеронов с полями переключения (/¡л, Нв)- Эта функция симметрична, /'(/»,. Н„ ) = Р(Н,. — „). и нормирована:

ОС ОС

I (1НС I Р(Нс,Ни) (1Ни = 1,

О -ОС:

Я

А , ha / = -hc + hu , hTmin

-Р с. -f- / / / / / -f-

Wfak. 'IV (J

а ! hr,,, J \ ! \ \ \ \ 4 +/-' \ \

\ 4 ht \ \ h,Tmin hc

\ \ 4 h Ua = hc + hu

Рис. 1. Плоскость Прейзаха и состояния гистеронов во внешнем поле Н при температуре Т

где hu = (/¡л + he)/2, hc = (Ли — 1>в)/2. Считается [20], что функция /'(/), .!>„) является заданной и может быть однозначно восстановлена экспериментально. Один из способов прямого восстановления функции Прейзаха из измерений намагниченности описан в работе [22].

Плоскость с координатами (ЬлМв) или (I), ./»„} носит название плоскости Прейзаха. Она позволяет наглядно представить действие внешнего поля на систему гистеронов. С учетом температурных эффектов плоскость (/», ./»„ ) разбивается на несколько характерных областей (см. рис. 1) [23]. Так, при заданном внешнем поле Н и температуре Т в областях I и II гпстероны характеризуются одним из состояний соответственно +//(Г) и —//.(Г). В области IV состояние гистеронов определяется термодинамической предысторией системы. Последняя описывается линией b(H,hc) на плоскости Прейзаха, и разделяет область IV на две с различными состояниями гистеронов, +//(Т) и —//.(Г). В соответствии с работой [23] для описания температурных эффектов на плоскости Прейзаха вводится суперпарамагнитная область (область III на рис. 1), в которой состояние гистеронов определяется распределением Больцма-на для данной температуры. Таким образом, учитывается возможность наличия обратимых переходов системы из одного состояния в другое. Размеры суперпарамагнитной области определяются «полем» ht = (квТ/ fio)hi(tC3.p/To) (поле тепловой вязкости [23]). Здесь tcxp характерное время измерения (наблюдения); типичные значения то лежат в интервале Ю-12 Ю-9 с; Т температура и кв постоянная Больцмана. Для стандартных статических экспериментальных исследований параметр ln(ica.p/ro) принимается равным 25 [20].

В общем случае состояния гистеронов описываются оператором у (II. Г: I), ./?„). который может принимать значение {+fi(T), —fi(T),

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.

Показать целиком