авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Диамагнитные домены (домены кондона)

-- [ Страница 1 ] --

РНЦ «Курчатовский институт»

На правах рукописи

УДК

ЕГОРОВ Валерий Семёнович

Диамагнитные домены (домены Кондона)

Специальность: 01.04.07 - физика конденсированного состояния.

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора физико-математических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в Институте сверхпроводимости и физики твердого тела РНЦ «Курчатовский институт».

Официальные оппоненты:

Д. ф.-м. наук Садиков Игорь Петрович (РНЦ «Курчатовский институт»)

Д. ф.-м. наук Минеев Владимир Петрович (ИТФ имени Ландау РАН)

Д. ф.-м. наук Белоусов Юрий Михайлович (МФТИ)

Ведущая организация: Институт физических проблем им. П.Л.Капицы РАН, Москва.

Защита состоится 00.00.08 года в 00 часов

на заседании специализированного совета при РНЦ «Курчатовский институт» по адресу: 123182, Москва, пл. академика Курчатова, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ «Курчатовский институт»

Автореферат разослан

Учёный секретарь

Специализированного совета Д 520.009.01

А.В.Мерзляков

В 1966 году Кондоном [1] была сформулирована идея возникновения диамагнитных доменов – расслоения металла на две фазы противоположной намагниченности в условиях сильного эффекта де Гааза – ван Альфена, которые называются также доменами Кондона. Через год образование таких доменов в серебре было подтверждено экспериментально Кондоном и Вальстедтом. Однако их попытки обнаружить домены в бериллии, где амплитуда дГвА значительно выше, чем в серебре, оказались безуспешными. В дальнейшем на протяжении почти 30-ти лет появлялись только теоретические работы различных авторов, посвящённые этому явлению, а экспериментальные результаты отсутствовали. Это способствовало неуклонному росту интереса к этому необычному явлению, и обусловило актуальность его экспериментального исследования. Большое количество вопросов относительно диамагнитных доменов, а именно универсальность этого явления в других металлах, структура доменов, область существования и т. д., могли получить ответ лишь экспериментальным путём. Это обозначило проблему, на решение которой была направлена данная диссертация.

Таким образом, целью настоящей диссертации явилось всестороннее экспериментальное исследование диамагнитных доменов (доменов Кондона) - нового и малоизученного ранее явления образования в металле при низкой температуре двух фаз с противоположной намагниченностью, обусловленного диамагнитным движением электронов в магнитном поле. В том числе:

- экспериментальная апробация успешности мюонного метода, предложенного ранее Ю. Белоусовым и В. Смилгой [8] для прямого обнаружения и исследования доменов Кондона;

- экспериментальная проверка гипотезы об универсальности эффекта образования диамагнитных доменов Кондона в металлах;

- получение экспериментальных данных относительно структуры диамагнитных доменов, их топологии и характерных размеров;

- установление прямой связи между магнитострикцией и механизмом тока намагничивания в доменной стенке;



- использование обнаруженного в процессе работы явления гистерезиса, возникающего при образовании доменов, для точного экспериментального определения фазовой диаграммы доменов Кондона.

В процессе выполнения поставленных задач использовались различные экспериментальные методы, а именно,

измерение частоты прецессии мюонов, или µSR-метод (muon spin rotation), для прямого обнаружения образования доменов Кондона,

использование микродатчиков Холла для выяснения доменной структуры и её размеров,

измерение магнитострикции в специальном дилатометре в условиях образования доменов,

измерения магнитной восприимчивости и более высоких гармоник при помощи модуляционных методов.

Измерения проводились в сверхпроводящих соленоидах, а также в сверхсильных магнитных полях резистивного магнита. Большое количество экспериментов были бы невозможны без тесного сотрудничества с коллективами лабораторий других институтов. Это институт имени Пауля Шеррера (Виллиген, Швейцария) и Лаборатория Сильных Магнитных Полей (Гренобль, Франция).

Проведенные в рамках данной диссертации экспериментальные исследования привели к получению большого количества важных оригинальных результатов, в значительной степени способствующих решению сформулированной выше проблемы. Все основные результаты получены впервые, и этим определяется научная новизна данной диссертации.

1. Впервые использована техника SR для изучения диамагнитных доменов и впервые обнаружено возникновение доменов Кондона в бериллии, олове, свинце, индии и алюминии.

2. Впервые показано (на олове), что при достаточно низкой температуре домены возникают даже тогда, когда амплитуда эффекта дГвА значительно меньше величины периода. При этом расщепление В гораздо меньше полупериода, и значения индукции в диа- и парамагнитной фазах смещаются при изменении внешнего поля. (В бериллии и серебре они практически постоянны).

3. Проведены измерения доменной структуры на поверхности серебра и бериллия при помощи миниатюрных датчиков Холла. Впервые получены поперечные размеры доменной структуры в серебре при 10 Т. Размеры периода p150 мкм и толщины доменной стенки w20 мкм оказались гораздо больше, чем ожидалось в соответствии с существующей теорией. Величина обнаруженной неоднородности индукции В на поверхности практически совпала с таковой в объёме. В отношении бериллия, где ожидаемая величина В на порядок больше, чем в серебре, впервые внесена ясность, а именно установлено - домены Кондона существуют в бериллии только в глубине образца, а на поверхности отсутствуют.

4. Впервые измерена магнитострикция бериллия в условиях образования диамагнитных доменов. В результате впервые показано, что соседние фазы отличаются не только намагниченностью, но и противоположной деформацией решётки, и градиент плотности зарядов в доменной стенке обеспечивает в магнитном поле ток намагниченности, необходимый для разницы индукции в соседних фазах.

5. Впервые обнаружен гистерезис в эффекте дГвА в состоянии с диамагнитными доменами – в бериллии около 2 Гс и в серебре около 0,2 Гс. Вместе с тем впервые обнаружено кардинальное изменение сигнала отклика в стандартном модуляционном методе измерения восприимчивости, в том числе резкий рост 3-й гармоники, при переходе в доменное состояние. Это впервые использовано для точного экспериментального нахождения фазовой диаграммы доменов Кондона в серебре вплоть до 28 Т и в бериллии во всей области полей до 1,3 К.

Достоверность результатов диссертации обусловлена высоким уровнем использованных экспериментальных методов и комплексным исследованием большого числа образцов высокого качества, а достоверность выводов диссертации обоснована подтверждением высказанных гипотез полученными экспериментальными результатами.

Научная и практическая значимость работы определяется в первую очередь широким комплексом полученных экспериментальных результатов и достигнутым гораздо более глубоким пониманием природы образования диамагнитных доменов. Это послужило основанием нового физического направления – развития экспериментальных и теоретических подходов к исследованию диамагнитных доменов (доменов Кондона) и их структуры с учётом энергии деформации и связи с анизотропией поверхности Ферми. Результаты диссертации могут быть использованы и уже используются в теоретических и экспериментальных исследованиях диамагнитных доменов и других эффектов, обусловленных орбитальной намагниченностью.

Материалы диссертации докладывались на международных конференциях:

по низким температурам НТ-32 (Казань, 2000),

µSR-99 (Les Diablerets, Swtzerland, 1999),

µSR-2002 (Williamsburg, Virginia, USA, 2002),

Physical Phenomena at High Magnetic Fields V (Tallahassee, USA, 2005),

LT-24 (Orlando, USA, 2005),

Intern.Conf. on Magnetism (Kyoto, Japan, 2006),

а также на семинарах и конференциях ИСФТТ, на международных µSR- семинарах в рамках школы ПИЯФ (Петербург) и на семинарах Лаборатории Сильных Магнитных Полей (Гренобль, Франция). Список публикаций приведен в конце автореферата.

Диссертация состоит из Предисловия, шести глав с основным содержанием работы, трёх приложений и списка цитированной литературы (112 наименований). Общий объём диссертации составляет 152 страницы, включая 61 рисунок.

В главе 1 (вводной) излагается история вопроса, физическая природа диамагнитных доменов и первые эксперименты. История начинается с классической работы Ландау, посвящённой диамагнетизму свободных электронов [2]. В этой статье Ландау впервые отметил, что если магнитное поле велико по сравнению с температурой, то в зависимости энергии от поля появляется небольшая быстро осциллирующая по полю добавка, возникает таким образом “быстрая периодичность”, то есть осцилляции намагниченности. По сути, это было предсказанием нового эффекта, который вскоре независимо был обнаружен на висмуте и получил название эффекта де Гааза – ван Альфена (дГвА). В последующие годы эффект был обнаружен в других металлах Оказалось, что величина периода осцилляций была различной в разных металлах, причем разница могла быть несколько порядков. Во многих металлах имело место несколько периодов, а величина каждого зависела от ориентации монокристаллического образца относительно Н. Неудивительно, что эффект де Гааза – ван Альфена (дГвА) на протяжении довольно долгого времени никем не связывался напрямую с предсказанием Ландау. В дальнейшем в 1952 г. Онзагер впервые показал, что период осцилляций намагниченности определяется площадью экстремального сечения поверхности Ферми, перпендикулярной Н. И, наконец, в 1955 году И.М.Лифшиц и А.М.Косевич [3] создали полную теорию намагниченности металлов (ЛК), применимую к любому металлу с произвольной формой поверхности Ферми при любых температурах.

При движении электрона вдоль циклотронной (ларморовой) орбиты на него действует среднее магнитное поле, то есть индукция В. Величина циклотронного радиуса составляет как правило около 10-3 – 10-4 см. Это гораздо больше среднего межэлектронного расстояния ~10-8 см. Поэтому орбиты сильно перекрываются, и электроны на уровнях Ландау взаимодействуют путём образования самосогласованной намагниченности М(В) [4]. В случае малости М разница между В и Н как правило абсолютно несущественна, и тогда этим взаимодействием можно пренебречь. В некоторых случаях различие между В и Н уже существенно и говорят о магнитном взаимодействии (МВ) в эффекте дГвА. Следствием этого взаимодействия и является возникновение своеобразной неустойчивости с расслоением металлического образца на две фазы с противоположной намагниченностью – диамагнитные домены или домены Кондона.

Чтобы понять природу этого явления, рассмотрим подробнее намагничивание в образце в однородном внешнем магнитном поле Н, когда из-за образования уровней Ландау возникает добавочная осциллирующая энергия и, соответственно, осциллирующая намагниченность 4М. С учётом МВ будем считать М=М(В). Рассмотрим для простоты предельный случай образца в форме бесконечно длинного цилиндра, ориентированного вдоль магнитного поля (размагничивающий фактор n=0). Тогда для величины полного изменения энергии в единице объема образца с учётом энергии электромагнитного поля, обусловленной токами намагничивания, которая равна (В-Н)2/8, можно написать сумму

+ . (1)

Эта сумма в условиях термодинамического равновесия принимает наименьшее возможное значение, то есть ее производная по В равна нулю. Это значит, что

,

и мы имеем для магнитного момента М=/B, то есть в формуле

М=М(В)= /B, и где для есть точная формула ЛК [4]. Здесь можно ограничиться простейшим приближением для , которого вполне достаточно для понимания природы описываемого явления, а именно





=a cos, где фаза =2F/B. (2)

Здесь амплитуда a определяется различными условиями эксперимента, а величина F по формуле Онзагера прямо пропорциональна площади экстремального сечения поверхности Ферми. Легко видеть, что если a<<1, то отличие между В и Н пренебрежимо мало. Тогда и первая производная от – магнитный момент М, и вторая производная –

,

должны иметь форму синуса или косинуса в зависимости от магнитного поля. При этом измеряемая в эксперименте дифференциальная восприимчивость

Однако при определённых условиях (низкие температуры, высокое качество образца) В может возрастать по абсолютной величине, вообще говоря, неограниченно. В этом случае приращение индукции в образце при изменении внешнего магнитного поля будет

,

и измеряемая в опыте дифференциальная восприимчивость

.

Легко видеть, что в этом случае приращение индукции в образце при изменении внешнего магнитного поля будет существенно различным в зависимости от знака В. В окрестности минимума , где В < 0, дифференциальная восприимчивость 4Н - 1 и , то есть 4М - Н (почти как у сверхпроводника). В окрестности максимума , где В > 0, знаменатель стремится к нулю, и, когда В 1/4, то , и индукция в образце должна увеличиваться скачком. В результате, что иллюстрирует упомянутое выше (МВ), зависимость М(Н) принимает пилообразную форму с практически вертикальными скачками индукции, которую впервые наблюдал Шенберг на образцах благородных металлов (эффект Шенберга).

Если в окрестности максимума (В), где В положительно, будет выполнено условие

, (3)

то условие термодинамической устойчивости H/B = 1-4В > 0 не будет выполнено в некотором интервале магнитного поля

В1<H<B2. (4)

Тогда этот участок абсолютной неустойчивости в длинном образце, параллельном магнитному полю (n~0), будет преодолеваться скачком из состояния В1 в состояние В2 – это и есть эффект Шенберга. В образце в форме пластинки перпендикулярной полю (n~1), в силу граничного условия для данной геометрии В=Н, скачок невозможен, и образец разбивается на фазы, соответствующие термодинамически устойчивым состояниям с В=В1 и В=В2 с выигрышем энергии, равным (см. рис. 1) в середине этого диапазона. При этом требование В=Н выполняется в среднем. Это и есть диамагнитные домены или домены Кондона [1] с противоположной намагниченностью.

Следует подчеркнуть, что фаза В1<H является диамагнитной, а фаза B2>H, соответственно, парамагнитной. Если положить толщину доменной стенки w (можно принять w~2RH, т.е. диаметр орбиты), а толщину пластинки d, то, как

 Зависимость (В) в небольшом-23

Рис.1. Зависимость (В) в небольшом диапазоне В чуть больше одного периода. Внешнее магнитное поле Н0 выбрано точно в максимуме (В). Парабола соответствует энергии намагниченности образца с размагничивающим фактором n=0 в данном магнитном поле Н0. Верхняя кривая изображает сумму (В)+ (1). Приведена ситуация 4В > 1. Пунктиром показана условно энергия образца в форме пластинки, нормальной к полю (n~1), с диамагнитными доменами.

обычно из конкуренции поверхностной энергии и энергии в доменных стенках получим для периода

. (5)

Это даёт величину порядка нескольких десятков микрон для обычных толщин образца d~1 мм и магнитных полей в несколько тесла.

Неравенство (3) определяет в координатах (Н,Т) фазовую границу между состоянием с однородной намагниченностью и областью расслоения на домены, которые образуются в каждом дГвА периоде в интервале (4). При этом есть точная формула ЛК [4], где используются параметры соответствующего сечения поверхности Ферми и фактор Дингла exp, учитывающий уширение уровней Ландау в данном образце.

К идее возникновения доменов Кондон пришёл, анализируя результаты измерений намагниченности (эффект дГвА) в образцах бериллия. В поверхности Ферми этого металла электронные куски в 3-й зоне имеют весьма удлинённую форму, напоминающую сигару. Поэтому амплитуда эффекта дГвА в этом случае достаточно велика, чтобы реализовались условия, рассмотренные выше. Сравнивая результаты дГвА при низких температурах на образцах разной формы, можно было объяснить их, предположив возникновение доменов [1]. Однако все попытки обнаружить домены в бериллии прямым путём оказались безрезультатными. Итак, следующее из теории возникновение доменов подтверждалось лишь косвенно.

Впервые прямое подтверждение возникновения доменов, но уже в серебре, было сделано в эксперименте по ядерному магнитному резонансу (ЯМР) два года спустя. Поглощение высокочастотного сигнала (~20 МГц) происходило в тонком поверхностном слое на глубине скин-слоя ~ 1 мкм. В случае однородной намагниченности кристалла наблюдалась одна линия, соответствующая величине приложенного магнитного поля, при появлении доменов наблюдалось расщепление линии, и это происходило периодически.

Интересно отметить, что идентичные эксперименты на бериллии, где следовало ожидать, вообще говоря, ещё большего эффекта, оказались, как ни странно, безрезультатными. Объяснение авторов, основанное главным образом на квадрупольном расщеплении ЯМР в бериллии (магнитный момент ядра бериллия - 3/2, а у серебра - 1/2), до последнего времени оставалось безальтернативным.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.