ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 5, с. 726-729
УДК 546.714-383:539.143.43
ВЛИЯНИЕ ИЗОТОПНОГО ЗАМЕЩЕНИЯ 160 ^ 180 И МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА СПИНОВУЮ ДИНАМИКУ В МАНГАНИТЕ (La0.25Pr0.75)0.7Ca0.3MnO3 ПО ДАННЫМ ЯМР 139La
© 2007 г. К. Н. Михалев1, И. Е. Литвинов1, 3. Н. Нигаматьянова1, А. Ю. Якубовский2, А. Р. Кауль3, О. Ю. Горбенко3, К. Кумагаи4, Ю. Фурукава4
E-mail: mikhalev@imp.uran.ru
В манганитах (исходном (La025Pr075)07CaQ3Mn16O3 и с изотопным обогащением 18O ((Lao.25Pro.75)o.7Cao.3Mn18O3)) получены спектры ЯМР 139La, измерены времена спин-спиновой релаксации в парамагнитной области во внешних магнитных полях 5 и 9.4 Тл. В манганите, обогащенном более тяжелым изотопом кислорода, во внешнем поле 5 Тл обнаружено исчезновение сигнала в области зарядового упорядочения (T < Tco), связанное с аномальным возрастанием скорости спин-спиновой релаксации. При увеличении внешнего магнитного поля до 9.4 Тл разница в поведении скоростей релаксации для двух образцов в области зарядового порядка также заметна, хотя величина эффекта значительно уменьшается. Наблюдаемый огромный изотоп-эффект - явное свидетельство значительной роли движения кислорода в формировании дальнего магнитного порядка в исследуемых манганитах.
ВВЕДЕНИЕ
Ярким свидетельством возможного влияния динамики решетки на проводимость манганитов является изотоп-эффект, когда при замещении 160 — 180 в ряде манганитов в определенной области температур инициируется переход металл-изолятор. Наибольший изотоп-эффект наблюдали в манганите (Ъа0.25Рг0.75)07Са0.3Мп03 [1]. Образцы этого соединения, обогащенные разными изотопами кислорода (160, 180), были детально исследованы различными методами, включая ЯМР в упорядоченном состоянии [2, 3], ЭПР [4] и дифракцию нейтронов. Эти исследования позволили идентифицировать микроскопическое фазовое расслоение в упорядоченном состоянии и построить магнитную фазовую диаграмму в этом манганите.
В настоящей работе представлены результаты анализа спектров ЯМР 13^а и измерений скорости спин-спиновой релаксации в области температур 80-350 К и в магнитных полях 5 и 9.4 Тл для образцов манганита ^а0.25Рг0.75)0.7Саа3МпО3, обогащенных разными изотопами кислорода: 160 (ЬРСЫО16) и 180 (ЬРСЫО18).
ОБРАЗЦЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Поликристаллический образец ^а025Рг0.75)07 • • Са03Мп03 был приготовлен по технологии так
1 Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург.
2 Российский научный центр "Курчатовский институт", Москва.
3 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова.
4 Университет Хоккайдо, Саппоро, Япония.
называемого бумажного синтеза, которая описана в [1]. Ренгеноструктурный анализ и дифракция нейтронов показали, что это соединение однофазно. Процедура обогащения изотопом кислорода 18О части образца также ранее подробно описана [1].
ЯМР-измерения на 13^а были проведены на фазокогерентном импульсном спектрометре в диапазоне температур 80-350 К в магнитных полях 5 и 9.4 Тл. Спектры ЯМР были получены при перестройке частотного тракта и фиксации интегральной интенсивности спинового эха в каждой точке по частоте. Время спин-спиновой релаксации Т2 измеряли с использованием импульсной последовательности л/2-т-л-эхо. Анализировали интегральную интенсивность спинового эха, пропорциональную ядерной намагниченности (М). Затухание эха описывает функция М(т) = =М0ехр(-2т/Т2).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Характерные спектры ЯМР 13^а в ^а0.25Рг0.75)0.7Са0.3Мп1603 во внешнем магнитном поле 5 Тл представлены на рис. 1. Спектры представляют собой неоднородно-уширенные линии, в которых распределение сверхтонких полей в области высоких температур сравнимо с квадруполь-ным уширением в первом порядке по теории возмущений, а в области низких температур является основным механизмом, определяющим форму линии. Оценки максимального значения квадруполь-ной частоты, пропорциональной главному значению тензора градиента электрического поля (ГЭП)
(Vq = e2qzzQ/2h ~ 1.5 MHz, где eqZZ - главное значение тензора ГЭП, eQ - квадрупольный момент лантана, h - постоянная Планка) из анализа формы линии ЯМР близки к полученным ранее значениям для изоструктурного манганита La2/3Ca1/3MnO3 [5]. Спектры ЯМР 139La в LPCMO18 по форме линии близки к спектрам, полученным для исходного манганита с более легким изотопом кислорода. При понижении температуры и приближении к переходу в упорядоченное состояние (температура Нееля 150 К), линии уширяются, а сдвиг значительно возрастает до ~55%. Величина сдвига (в единицах частоты) сравнима со значением резонансной частоты в упорядоченном состоянии в нулевом поле для этого образца [2].
Поведение сдвига максимума линии с температурой (рис. 2) для обоих образцов в поле 5 Тл совпадает. Однако для LPCMO18 сигнал ЯМР исчезает в области температур T < TCO ~ 180 K, где, по литературным данным, начинается зарядовое упорядочение или локализация [6]. Для выяснения причины подобного явления были измерены времена спин-спиновой релаксации вблизи максимума линии в каждой температурной точке. Оказалось, что для образца с более тяжелым изотопом кислорода скорость спин-спиновой релаксации резко возрастает в области зарядового упорядочения (рис. 3), а для LPCMO16, наоборот, уменьшается. При этом в области температур T > ~ 180 K значения скоростей релаксации на обоих образцах ведут себя одинаковым образом и от температуры (с точностью до погрешности) не зависят.
При увеличении внешнего магнитного поля до 9.4 Тл ширина линии ЯМР значительно возрастает (в ~1.3 раза на комнатной температуре для образца LPCMO16), что подтверждает магнитную природу уширения спектра ЯМР (распределение магнитных сдвигов).
Поведение сдвигов линий для обоих образцов одинаково в области высоких температур. Однако при температурах ниже ~190 K наблюдается значительная разница в температурной зависимости сдвигов линий 139La для образцов с разными изотопами кислорода (рис. 4). Сдвиг линии для образца с легким изотопом кислорода резко возрастает при T ~ 190 К и при дальнейшем понижении температуры не меняется, а для образца с более тяжелым изотопом кислорода сдвиг монотонно возрастает до TN ~ 150 K при понижении температуры. Ниже точки антиферромагнитного упорядочения сдвиги вновь ведут себя одинаково. Максимальный изотоп-эффект в поведении сдвигов виден в точке T ~ ~ 180 K (точка зарядового упорядочения).
Как и в случае сдвигов линий ЯМР, изотоп-эффект в поведении скорости поперечной релаксации не наблюдается при высоких температурах в поле 9.4 Тл (рис. 3). Однако ниже ~190 К скорости спин-спиновой релаксации для двух образцов зна-
«
о
к н о
л н о о к я
5
к о н к S
100 K
А
175 K
J \
•• 295 K
/V
250 K
32 36 40 44
48 52 V, МГц
Рис.
1.
ЯМР
139
La
Спектры
(La0 25РГ0 75)0 7Ca0 3МПО3 во внешнем магнитном поле 5 Тл.
K,
50 40 30 20 10
%
О
о
о
о о
0 о О
_1_I_I_I_I_I_I_I_I_I_L_
100 150 200 250 300 350
T, K
Рис. 2. Температурная зависимость сдвига линии ЯМР
139
La для (La0.25PrQ.75)0.7Ca0.3Mn16O3 (•)
^ад 25РГ0 75)0 7Са0 3Мп1803 (О). Сигнал не наблюдается
в образце с 180 для температур ниже 170 К из-за аномально большой скорости спин-спиновой релаксации.
чительно различаются. При 145 < Т < 190 К величина Т21 для образца с изотопом кислорода 180 превышает в несколько раз скорость релаксации для образца с 160. Максимальный изотоп-эффект виден в температурном диапазоне 162 < Т < 175 К, где скорости поперечной релаксации различаются в 3.5-4 раза. При Т < 145 К скорости поперечной релаксации ведут себя одинаково, в отличие от их поведения в поле 5 Тл (рис. 3).
и
728
МИХАЛЕВ и др.
12 , мкс
0.04
0.02
О
О
■ / * • !
♦ О
100 150 200 250 300 450
T, K
Рис. 3. Температурная зависимость скорости спин-спиновой релаксации (La0 25Pr0 75)0 7Ca0 3Mn16O3 (•) and (La0 25РГ0 75)0 7Ca0 3Mn18O3 (О) в магнитном поле 5 Тл, (La0.25Pr0.75)0.7Ca0.3Mn16O3 (♦) и
(La025Pr0.75)0.7Ca03Mn18O3 (О) в поле 9.4 Тл.
K, 30 25 20 15 10
%
00
• о
_|_I_I_I_I_I_L
1а.
50 100 150 200 250 300
T, K
Рис. 4. Температурная зависимость сдвига линии ЯМР
139
La
для (La0.25Pr0.75)0.7Ca0.3Mn16°3 (•) и (La0 25РГ0 75)0 7Ca0 3Mn18O3 (О) во внешнем магнитном поле 9.4 Тл.
Вообще говоря, зарядовая динамика в манганите должна сопровождаться спиновой. При диффузии дырки в модели двойного обмена будут меняться как зарядовое состояние ионов марганца, так и спиновое. Наиболее логично предположить, что в случае более тяжелого изотопа кислорода движение мостикового кислорода менее интенсивно (частота тепловых колебаний меньше), степень перекрытия орбиталей О^ - Мп3^ меньше, а частота перескока дырки сравнима с частотой ЯМР, в результате мы получаем антиферромагнитные (и зарядовые) флуктуации в предпереходной области, антиферромагнитное упорядочение ниже 150 К в этом образце и плохую проводимость. Наоборот, в ЬРСМО16 вследствие изменения степени подвижности иона кислорода степень перекрытия орбиталей марганец - кислород больше, частота перескока дырки существенно превышает частоту яМр. В этом случае следует ожидать перехода в ферромагнитное состояние в области низких температур и металлическую проводимость.
Скорость спин-спиновой релаксации в этой системе можно представить как суперпозицию нескольких основных вкладов [8]:
1/т2 = 1/t2 + 8/T1 + 16/ T2 .
(1)
В предпереходной области ТС, Ти < Т < ТСо обобщенную восприимчивость %(д, ю) исследуемых манганитов можно описать спектром спиновых флуктуаций, которые в большинстве случаев предшествуют переходу в упорядоченное состояние, причем время корреляции флуктуаций (тС) для ЬРСМО18 близко к обратной частоте ЯМР: тС ~ ~ 1/^. Подобное исчезновение сигнала ЯМР за счет аномально быстрой поперечной релаксации наблюдали ранее в слабодопированных манганитах [7] также в предпереходной области. Авторы [7] объясняли это явление аномальной зарядовой динамикой, связанной с локальными структурными искажениями, возникающими при диффузии дырки вследствие эффекта Яна-Теллера.
Первый член в (1) - прямой вклад от диполь-ди-польного взаимодействия между ядерными спинами ближайшего окружения лантана в кристаллической решетк
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.