ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2009, том 108, № 3, с. 249-254
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ^^^^^^^^^^ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.893'4'76'787:539.143.43
КОСВЕННОЕ ГЕТЕРОЯДЕРНОЕ 17О-207РЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ОКСИДАХ ВаРЬ1 _ хВ1х03 (х < 0.21)
© 2009 г. В. В. Оглобличев, Ю. В. Пискунов, А. П. Геращенко, А. Ф. Садыков, С. В. Верховский
Институт физики металлов УрО РАН, 620041, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
Поступила в редакцию 15.12.2008 г.; в окончательном варианте - 27.01.2009 г.
Представлены результаты измерений сигнала двойного резонанса спинового эха 17O-207Pb в сверхпроводящих оксидах BaPb1 - хВ1,р3 (х < 0.21). Определены константы спин-спинового (17O-207Pb) взаимодействий ядерных спинов, которые пропорциональны спиновой восприимчивости. Прямые оценки констант косвенного взаимодействия ядер ближайших соседей, атомов О - РЬ и РЬ - РЬ, дают убедительные свидетельства в пользу развития микроскопически неоднородного состояния электронной системы в металлической фазе оксидов, для которых, по данным рентгеновской дифракции, отсутствуют признаки макроскопического фазового расслоения.
РЛС8 74.70.- Ь, 74.25.Nf
Уникальную информацию об особенностях пространственной дисперсии спиновой восприимчивости х(Ф и сверхтонких электрон-ядерных связях можно получить, исследуя косвенные спин-спиновые взаимодействия (КССВ) между ядерными спинами. Подобные сведения являются ключевыми при обсуждении неоднородного состояния электронной спиновой системы с существенными кулоновскими корреляциями. В подавляющем большинстве случаев в твердом теле не представляется возможным измерить константу КССВ, к/косв, по характерному расщеплению линии неоднородно уширенного спектра ЯМР. В данной работе представлены результаты прямых измерений констант КССВ соседних атомов О-РЬ (17-207/косв) в сверхпроводящих оксидах ВаРЬ1 - хВг,О3 (х < 0.21). В более ранней работе [1] мы подробно рассматривали константы КССВ РЬ-РЬ и О-РЬ для составов с х < 0.12.
Эксперименты, обсуждаемые в настоящей работе, выполнены в "сильном" магнитном поле. В этом случае зеемановское взаимодействие магнитного момента ядра с магнитным полем Н0 является основным [2]. Направление магнитного поля Н0||0г определяет ось квантования системы ядерных спинов. Тогда гамильтониан спин-спинового взаимодействия ядер 1 с окружающими ядерными спинами можно представить в следующем виде:
N
= й ^1а,-1гБг{, (1)
I = 1
где - константа спин-спинового взаимодействия ядер 1 и Б; N - число ближайших соседей ядерных спинов Б у спина 1.
В выражении (1) мы пренебрегли несекулярны-ми компонентами спин-спинового взаимодействия (такими как IxSx, IySy), которые описывают процессы взаимного переворота спинов, так называемые "flip-flop" переходы (Т4- -—► ¿Т), сопровождаемые поглощением или испусканием кванта h(oi - oj). Такое приближение справедливо, если разность частот прецессии соседних взаимодействующих спинов много больше ISa, т.е.
O - oj > \LSaij. (2)
Упрощение гамильтониана до формы (1) в данном случае вполне обосновано, так как ларморов-ские частоты ядер 17O и 207Pb в магнитном поле Н0 = 94 кЭ различаются на десятки мегагерц.
Спин-спиновое взаимодействие между ядерными спинами O(I) - Pb(S) содержит дипольный и косвенный вклады [3, 4]:
N
h \ ( Di + J)IzSzi, (3) i — i
где ISDi = yIYSh(1 - 3cos2(0i))/ r3, ri - расстояние между взаимодействующими спинами; 6i - угол между ri и внешним магнитным полем Н0; yI и ys - гиромагнитные отношения ядерных спинов I и S.
Первое слагаемое в (3) учитывает классическое дипольное взаимодействие магнитных моментов спинов I - S. Второе описывает косвенное взаимодействие ядерных спинов через систему электронов зоны проводимости. Величина косвенного взаимодействия является существенной, когда один из взаимодействующих спинов при-
t*
s s
X S
4 л н о о X и
5 о X о н X
S
17
O
BaPb1-xBixO
207
Pb
\ X = 0.09 í
x = 0
54.2
54.3
Рис. 1. Спектры ЯМР 170 (переход m = +1/2
VA
84 86
Частота, МГц
207i
- -1/2) и
Pb в поликристаллических образцах BaPbi - xBixO3¡ х = 0.00; 0.09; 0.21 - в магнитном поле Н0 = 94 кЭ.
надлежит тяжелому (Z > 50) атому, валентные электроны которого участвуют в формировании зоны проводимости. В оксидах BaPb1 - xBixO3 тяжелыми атомами являются Pb (Z = 82) и Bi (Z = 83). Косвенное взаимодействие ^^,косв ядерных спинов
170 и 207Pb предполагается изотропным, поскольку, как было установлено в [5], анизотропия сверхтонких магнитных взаимодействий кислорода в оксиде незначительна (|17^анизоИ17^изо1 « 0.1).
Гамильтониан косвенного взаимодействия ^^,косв можно записать в следующем виде [4]:
Wjs, кос, = ñ 'ш/Яс/Яст Q/S%' (г)/А, (4)
где Q/S - объем сферы Вигнера-Зейтца; /ЯСТ и SHCT -сверхтонкие поля, создаваемые электронами зоны проводимости соответственно на ядрах / и S.
Как видно из (3) и (4), константа КССВ /SJt связана с действительной частью нелокальной восприимчивости х'(г), которая для изотропного металла определяется средним значением плотности состояний на уровне Ферми N(EF) [6]:
X' (г) = 2 ц B N ( Ef )Ф( г), (5)
где - магнетон Бора.
Согласно (5), функция Ф(г) определяет пространственную дисперсию спиновой восприимчивости электронов зоны проводимости. В металлических соединениях, не содержащих переходных металлов, поведение Ф(г) на больших расстояниях удовлетворительно описывается в рамках приближения электронного газа [6, 7].
2kFr cos (2kFr) - sin (2kFr)
Ф( г) =
(6)
Затухание функции Ф(г) ~ г3 носит осциллирующий характер, определяя изменение с расстоянием интенсивности и знака косвенного взаимодействия удаленных ядерных спинов.
В то же время поведение Ф(г) на расстояниях порядка межатомных является одним из основных моментов при обсуждении возможной неустойчивости однородного состояния электронной системы оксидов BaPbi _ xBixO3 [8, 9], неустойчивости, сопровождаемой неоднородным по кристаллу распределением спиновой плотности в металлической фазе.
Сравнение констант гомоядерного косвенных взаимодействий соседних ядер Pb-Pb [1] и (O-Pb) позволяет получить уникальные сведения об особенностях пространственной дисперсии спиновой восприимчивости электронной системы в коротковолновой области, т.е. при q ~ (я/а). Анализ изменения констант /косв при селективном возбуждении различных участков неоднородно уширенных линий ЯМР с использованием двухчастотных методов даст возможность установить парные пространственные корреляции между соседними атомами, находящимися в областях с близким значением локальной восприимчивости и дающими вклад в интенсивность соответствующих участков спектра. Результаты подобных исследований способствуют более обоснованному обсуждению на микроскопическом уровне причин зарождения и развития с концентрацией и температурой неоднородного состояния электронной системы в металлической фазе BaPb1 - xBixO3 оксидов.
Магнитная неоднородность, развивающаяся в BaPb1 - xBixO3 оксидах при х > 0, проявляется в распределении сдвигов линии ЯМР 17O и, наряду с ростом величины среднего сдвига Найта 207Ks, существенном росте распределения найтовского сдвига линии ЯМР 207Pb (рис. 1) [9, 10]. Сдвиг Найта определялся как 207Ks = [(VPb - V0Pb)/V0Pb] х 100%, где V0Pb = = 83.72 МГц - диамагнитная точка 207Pb в магнитном поле H0 = 94 кЭ.
Спектр центрального перехода (т = 1/2 -—- -1 /2) 17O (см. рис. 1) обнаруживает тонкую структуру из нескольких линий. Тонкая структура спектра и различие релаксационных характеристик ядер кислорода, соответствующих отдельным линиям спектра, обусловлены распределением локальных магнитных полей, создаваемых на ядрах атомов кислорода соседними катионами Pb(Bi) [5]. Наблюдение эволюции ядерной намагниченности 17М(2т; VPb) под действием статической части спин-спинового взаимодействия (1) было выполнено в ходе экспериментов по двойному 17O-207Pb резонансу спинового эха -SEDOR (Spin Echo Double Resonance). Эксперименты проводились в области температур Т < 40 K. Сигнал SEDOR т(2т; VPb) формировался с использованием импульсной последовательности, представленной на
0 1 2 3 4 5 6
2т, мс
Рис. 2. Сигнал SEDOR т(2т; 84.2 МГц) = 17М(2т; 84.2 МГц)/17М(2т) в оксиде BaPbOз. Сплошная линия - результат аппроксимации данных т(2т; 84.2 МГц) функцией (7). На вставке представлена последовательность проведения SEDOR-экспериментов.
вставке к рис. 2. Детали SEDOR экспериментов подробно описаны в [1, 9, 10]. Длительность п/2-им-пульса, осуществляющего поворот в спиновом пространстве спинов I на угол п/2, не превышала 2 мкс, этого хватало для возбуждения линии центрального перехода т = -1/2 -—► +1/2 атомов кислорода во всех исследованных оксидах ВаРЬ - хВг,-03. Длительность пРЬ-импульса находилась в пределах (5-6) мкс, что позволяло селективно возбуждать различные участки (порядка 200 КГц) существенно более широкого спектра ЯМР 207РЬ в оксидах с х > 0.
Экспериментальные данные, приведенные на рис. 2 для исходного оксида ВаРЬ03 при Т=20 К, иллюстрируют основные особенности затухания сигнала SED0R т(2т; уР„) = 17М(2т; уРЬ)/17М(2т) в исследованных оксидах ВаРЬ1 - хВ1,.03 (х < 0.21). 17М(2т) и 17М(2т; \"РЬ) - амплитуды сигнала 170 в зависимости от времени задержки между импульсами т, измеренные с использованием последовательностей I и II, приведенных во вставке рис. 2, соответственно. Возбуждение ядер 207РЬ для оксида ВаРЬ03 выполнялось на частоте УРЬ = 84.2 МГц (207К = 0.80%), со-
ответствующей максимуму интенсивности линии ЯМР 207Pb (см. рис. 1).
Сигнал SEDOR представляет собой экспоненциально затухающее синусоидальное колебание. Сплошная линия - результат аппроксимации данных т(2т; vPb) выражением вида
y( 2т) = A exp J-2^ cos (ЮоЩ2 т) + b (7)
при следующих значениях параметров: A = (0.11 ± ± 0.01), B = (2.5 ± 0.3) мс, юосц = (2.35 ± 0.05) х 103 с-1, b = (0.90 ± 0.01).
В общем случае зависимость от времени т(2т; vPb) имеет вид произведения [11]:
N
m (2т; Vpb) = exp (-р^П A« cos (°~?Чт), (8)
2 n = 1
где N - число ближайших соседей; An - амплитуды колебаний; Г* - характерное время затухания сигнала SEDOR, обусловленное другими механизмами спин-спиновой и спин-решеточной релаксации, ко-
о £
-О Рч
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.