ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2009, том 107, № 6, с. 599-610
^^^^^^^^^^^^^^^^ ТЕОРИЯ
МЕТАЛЛОВ
УДК 537.611.4:537.622.5
ВЛОЖЕННЫЕ СПИРАЛИ В СЛОИСТЫХ МАГНЕТИКАХ
© 2009 г. Е. В. Розенфельд, Н. В. Мушников, В. В. Дякин
Институт физики металлов УрО РАН, 620041 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
Поступила в редакцию 01.07.2008 г.; в окончательном варианте 09.09.2008 г.
Исследовано формирование спиральных магнитных структур в слоистых магнетиках с сильным ферромагнитным внутрислойным и слабыми межслойными обменными взаимодействиями. Показано, что в образце, содержащем г различных магнитных слоев, могут образоваться только спиральные структуры, представляющие собой г вложенных друг в друга простых спиралей с одинаковым шагом. При г = 2 в магнетике может существовать лишь одна устойчивая двойная спираль. Сравнение полученных результатов с данными анализа рассеяния нейтронов на слоистых соединениях УМп68п6 заставляет предположить, что в реальных кристаллах большую роль играет магнитная анизотропия в плоскости слоев, которая трансформирует двойную спираль в модулированную соизмеримую длиннопериодическую структуру.
РЛСБ: 75.10.-b, 75.25+
1. ВВЕДЕНИЕ
Одной из основных задач современной прикладной физики твердого тела является создание материалов, свойства которых резко изменяются в результате приложения небольшого внешнего воздействия. В частности, в области магнетизма значительный интерес представляют материалы, намагниченность которых (а с ней и электропроводность, линейные размеры и т.д.) изменяются скачком, когда внешнее магнитное поле, температура или давление достигают критического значения. Как правило, резкие изменения физических свойств обусловлены магнитными фазовыми переходами 1-го рода. Типичными примерами таких переходов являются метамагнитный переход из антиферро- в ферромагнитное состояние, а также спонтанные и индуцированные полем спин-пере-ориентационные переходы в ферромагнетиках [1, 2]. Поиск новых магнетиков, удовлетворяющих указанным требованиям, является актуальной задачей. В качестве перспективного варианта здесь можно рассматривать слоистые магнетики, интенсивно исследуемые в последнее время [3-5].
Слоистые магнетики - это искусственно созданные либо естественные магнитные структуры, в которых магнитные атомы образуют слои, отделенные друг от друга в общем случае различными слоями немагнитных атомов. В таких структурах сильное ферромагнитное взаимодействие магнитных атомов внутри слоя может обеспечивать высокие значения температур магнитного упорядочения. В этом случае момент каждого магнитного слоя оказывается почти макроскопической величиной и может рассматриваться как классический вектор. В то же время ответственным за формирование магнитной структуры мате-
риала в целом оказывается относительно слабое и легко регулируемое межслойное взаимодействие. Такая магнитная структура может оказаться чувствительной к изменению магнитного поля или давления [6]. Помимо коллинеарного ферромагнитного (Б) либо антиферромагнитного (АР) упорядочения в слоистых магнетиках часто возникают неколлинеарные спиральные магнитные структуры.
В последнее время интерес к спиральным магнитным структурам значительно возрос применительно к мультиферроикам. Скашивание магнитных моментов в одну и ту же сторону при перемещении вдоль выделенного направления нарушает инверсионную симметрию и приводит к возникновению электрической поляризации вдоль оси спирали [7, 8]. Приложение магнитного (или электрического) поля может индуцировать фазовый переход 1-го рода, что позволяет изменять поляризацию (или магнитный момент) соединения.
Если все магнитные слои и все промежутки между ними полностью эквивалентны, для описания межслойных взаимодействий обычно достаточно ввести всего лишь два обменных интеграла1 - между ближайшими соседними слоями ^ и между вторыми соседями /2. При ферромагнитном или слабом антиферромагнитном обменном взаимодействии вторых соседей (-/2 < |^|/4) моменты всех слоев коллинеарны (Б-либо ЛБ-струк-тура). Если же между вторыми соседями имеется достаточно сильное антиферромагнитное обмен-
1 Как и в большинстве других работ по магнитным спиралям, мы называем обменными интегралами параметры, которые уже включают в себя произведение спинов, см. ниже выражение для энергии (3).
ное взаимодействие (-J2 > |Jil/4), возникает спиральное магнитное упорядочение, при котором вращение намагниченности от слоя к слою происходит всегда на один и тот же угол [9]
Ф = arceos 1. (1)
I 4 J2)
Во внешнем магнитном поле, приложенном параллельно слоям, спираль сначала слегка искажается, а кода поле достигает некоторой критической величины - схлопывается в веерную структуру [10], что сопровождается резким возрастанием намагниченности.
Более сложные магнитные структуры, идентифицированные как двойные вложенные магнитные спирали (рис. 1а), были обнаружены в ор-торомбических магнетиках MnP, FeP, CrAs [11], с соединениях RRhSi (R = Tb, Er) [12], ,ThFe4Al8 [13], а также в целом классе соединений типа RMn6X6 (R = Sc, Y, Lu; X = Sn, Ge, In) [14, 15]. В этих системах одинаковые ферромагнитные слои, состоящие из магнитных атомов, разделены промежутками, которые заполнены различными немагнитными атомами и/или различаются по ширине. В качестве примера на рис. 16 приведена гексагональная кристаллическая структура соединений RM%X6. Из рисунка видно, что в этом кристалле имеется два типа различных межслойных промежутков между магнитными слоями марганца, в результате чего оказываются неэквивалентными четные и нечетные слои магнитных атомов. По этим слоям разворачиваются две разные магнитные спирали типа (1) с одинаковым шагом, в результате чего формируется двойная вложенная спираль.
Теоретические исследования причин возникновения двойных магнитных спиралей неоднократно предпринимались и ранее. Однако квазиклассические расчеты атомной магнитной структуры в реальной решетке [16, 17] основывались на использовании слишком большого числа параметров (межатомных обменных интегралов), что сильно затрудняло анализ решений. Переход к рассмотрению лишь трех межслойных обменных интегралов позволил достаточно просто объяснить не только возникновение двойной плоской спирали в слоистых магнетиках [18, 19], но и ее искажение во внешнем магнитном поле [19]. Подходы, использованные в этих работах, однако, оставляют открытым существенный вопрос о числе различного типа спиралей, которые могут быть устойчивыми в слоистом магнетике. Этот вопрос принципиально важен, поскольку модель одной спиральной структуры не позволяет полностью объяснить экспериментальные данные по дифракции нейтронов в данных соединениях. Например, наилучшим образом описать дифракционную картину, наблюдаемую в YMn6Sn6, удается лишь в предположении, что в кристалле сосуще-
ствуют две (а при высоких температурах - три) магнитные фазы типа двойной спирали с различными по величине волновыми векторами, направленными вдоль с-оси [20, 21]. В качестве возможной альтернативы такому объяснению рассматривалась также модель сложной модулированной спиральной структуры с очень большим периодом [20].
Таким образом, складывается впечатление, что в слоистых магнетиках с неэквивалентными магнитными слоями возможно сосуществование различных магнитных фаз, а значит, могут возникать и переходы между ними. Следовательно, такие слоистые кристаллы могут представлять интерес с технической точки зрения. Более того, современные технологии приготовления мультислойных пленок позволяют синтезировать объекты с практически произвольными наборами неэквивалентных магнитных слоев и промежутков между ними. Поэтому в настоящей работе поставлена и решена задача разработки методики, позволяющей математически строго определить весь набор магнитных структур, устойчивых в произвольном слоистом магнетике. При этом, в частности, показано, что:
• При учете только изотропных обменных взаимодействий любая устойчивая простая магнитная спираль в магнетике, содержащем г различных магнитных слоев, представляет собой цепочку полностью эквивалентных по внутренней магнитной структуре плоских "блоков". Толщина этих блоков совпадает с длиной структурной ячейки, включающей г магнитных слоев. Каждый раз при сдвиге на один такой блок все магнитные моменты поворачиваются на один и тот же угол Ф (шаг) вокруг оси спирали. Иными словами, устойчивой может быть только структура, представляющая собой г вложенных друг в друга спиралей. В частности, при г = 1 возникает простая спираль (1).
• Максимальное число типов структур, которые в принципе могут возникать в слоистом магнетике, равно числу различных магнитных слоев г.
• В магнетике с двумя различными магнитными слоями может существовать не более чем одно устойчивое спиральное (отличное от Б и ЛБ) состояние. Сосуществование различных спиралей и возникновение переходов между ними возможно только в магнетиках с не менее чем тремя неэквивалентными магнитными слоями.
2. ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
Пусть в слоистом магнетике данный магнитный слой отделен от двух ближайших к нему соседних слоев сверху и снизу промежутками разного типа (см. рис. 1б). Тогда разными, очевидно, должны оказаться и обменные интегралы ^ и /2 между этим слоем и двумя его ближайшими соседями. Поскольку обмен между вторыми соседни-
5 + Ф
(а)
п = 2
п = 0
п = -1
Рис. 1. Схема вращения намагниченности слоев в структуре двойной плоской спирали - а; кристаллическая структура соединений ЛМпбХб и интегралы межслойных Мп-Мп обменных взаимодействий - б. Индексы слева задают номера магнитных слоев марганца.
ми слоями всегда идет через пару промежутков разного типа, то обменный интеграл для любых пар вторых соседей в двухслойном магнетике всегда один и тот же, и мы обозначим его J3.
Далее, поскольку все структурные элементарные ячейки одинаковы и содержат два магнитных слоя, можно предполагать, что при переходе вдоль оси спиральной структуры (вдоль кристал-
3
п
8^ град
90 г
/1//2
■1.0
60 ---- •0.8
---- 0.6
30 _---- 0.4
----- ■ 0.2^
0 ----
-30 -
-60 -
-90 1
30
60
90
120
150 180 Ф, град
ф л
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.