Необычное изменение типа магнитной анизотропии: от «легкой оси» к «легкой плоскости»

Екатеринбургские физики из ИФМ УрО РАН в сотрудничестве с зарубежными коллегами исследуют причины формирования структуры и магнитных свойств, в частности, магнитной анизотропии в моноатомных многослойных системах на основе тройных интерметаллических соединений. Это шаг в изучение фундаментальных свойств физики твердого тела, а в практических приложениях может быть учтено при создании функциональных наноматериалов с заданными свойствами

Интерметаллические соединения редкоземельных элементов со слоистой кристаллической структурой являются перспективными материалами для многочисленных практических применений и уникальными модельными объектами для проведения фундаментальных исследований в физике конденсированного состояния вещества.

Проект сотрудников Института физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН (ИФМ УрО РАН) (г. Екатеринбург) «Анизотропия типа «легкая плоскость» в слоистом соединении GdMn₂Si₂ с магнитокристаллической анизотропией типа «легкая ось», выполненный в рамках Госзадания МИНОБРНАУКИ России (Шифр «Магнит» № АААА-А18-118020290129-5) направлен на изучение причин формирования магнитной анизотропии типа «легкая плоскость» и определения магнитной структуры в соединении GdMn₂Si₂.

Исследование (сроком с 2019 по 2020 гг.) проходило в сотрудничестве с зарубежными коллегами из Института Лауэ-Ланжевена (Гренобль, Франция) и Центра Гельмгольца (Дрезден-Россендорф, Дрезден, Германия).

Измерения кривых намагничивания на монокристаллических образцах GdMn₂Si₂, экспериментальные наблюдения над влиянием внешнего магнитного поля на магнитные фазовые переходы и нейтронографические исследования подтвердили теоретическую модель ученых, описывающую магнетизм, и предоставили прямые доказательства существования предсказанных магнитных структур.

Участники проекта – кандидат физ.-мат наук, старший научный сотрудник лаборатории ферромагнитных сплавов (Отдел магнитных измерений, ЦКП «Испытательный центр нанотехнологий и перспективных материалов лаборатории электрических явлений) Павел Борисович Терентьев и кандидат физ.-мат наук, ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией перспективных магнитных материалов Евгений Германович Герасимов – поделились  достигнутыми успехами и рассказали, каковы причины и как происходит изменение типа магнитной анизотропии в слоистых интерметаллических соединениях на основе редкоземельных металлов.

«Одним из актуальных направлений исследований современной физики конденсированного состояния вещества и магнитных явлений являются исследования фундаментальных свойств наноразмерных и мультислойных пленочных материалов. Это обусловлено тремя основными причинами. Во-первых, необходимостью дальнейшей миниатюризации различных электронных устройств. Во-вторых, непрерывным ростом уровня технологий, позволяющих создавать все более и более совершенные двухмерные и трехмерные объекты со все меньшими размерами. И, в-третьих, многочисленными теоретическими исследованиями, предсказывающими уникальные физические свойства двумерных и квазидвумерных систем.

Однако в природе уже существует ряд интерметаллических соединений с естественной идеальной слоистой кристаллической структурой, в которой атомы одного типа образуют моноатомные слои, чередующиеся в строгой последовательности. К таким соединениям относятся интерметаллические соединения типа RM₂X₂ (R-редкоземельный металл, Y, Lu, Ca, Sr, Ba, Tl, Th или U; М – 3d (от Cr до Cu), 4d (от Ru до Ag) или 5d (от Re до Au) переходный металл; X - Si или Ge).  С ограниченным числом химических элементов соединения со стехиометрией 1-2-2 и структурой типа ThCr₂Si₂ могут образовываться и в случае X = P, As, Sb, Sn, Se. Соединения кристаллизуются в тетрагональной кристаллической решетке типа ThCr₂Si₂, в которой слои атомов одного сорта чередуются в строгой последовательности -R-X-M-X-R-X-M-X-R- вдоль тетрагональной с-оси (см. Рис.1).

Такие соединения являются уникальными макроскопическими модельными объектами для изучения механизмов формирования физических свойств многослойных квазидвумерных систем. Изучение фундаментальных свойств таких соединений позволяет получить экспериментальные данные, которые необходимы как для развития фундаментальных представлений о магнитных структурах и фазовых переходах, так и для целенаправленного создания функциональных наноматериалов с заданными свойствами, представляющих собой искусственные многослойные моноатомные структуры.

Наши исследования направлены на установление влияния различных факторов на формирование магнитных свойств, магнитной и электронной структуры идеальных моноатомных многослойных систем на основе тройных интерметаллических соединений RM₂X₂ со структурой типа ThCr₂Si₂», – Павел Терентьев подробно указал, чем интересны исследователям слоистые соединения.

В чем специфика соединений со структурой типа ThCr₂Si₂?

«Важной особенностью соединений RM₂X₂ является наличие атомных слоев из различных групп периодической таблицы, что обуславливает чрезвычайно широкий спектр наблюдающихся в них физических явлений, включающих в себя сверхпроводимость, тяжелые фермионы, смешанную валентность редкоземельных ионов, эффекты кристаллического поля, разнообразные магнитные фазовые переходы и структуры. Несмотря на обилие экспериментальных данных, природа магнитного поведения соединений остается неясной и продолжает являться объектом интенсивных исследований. Так, из всех переходных металлов группы железа в соединениях RM₂X₂ только марганец и хром обладают ненулевыми магнитными моментами. Железо и кобальт «немагнитны» в данных соединениях. Соединения RM₂X₂ c M=Mn обнаруживают чрезвычайно большое разнообразие магнитных структур и очень необычную корреляцию между типом межслойного магнитного упорядочения магнитных моментов атомов марганца и внутрислойными Mn-Mn межатомными расстояниями. Величина и знак межслойного обменного взаимодействия между магнитными моментами атомов марганца, расположенными в соседних слоях, сильно зависят от расстояния между ближайшими атомами марганца в слое и фактически не зависят от межслойного расстояния. Для соединений типа RM₂X₂ существует некоторое критическое расстояние d_c между ближайшими атомами марганца в слое, составляющее величину порядка 0.286 нм. В соединениях, в которых расстояние между атомами марганца в слое d_Mn-Mn<d_c, магнитные моменты атомов марганца, расположенных в соседних слоях, упорядочиваются антиферромагнитно, а при d_Mn-Mn > d_c – ферромагнитно, с преимущественной ориентацией результирующих магнитных моментов слоя в обоих случаях вдоль тетрагональной оси. Зависимость величины межплоскостного обменного взаимодействия от расстояния между атомами Mn в слое настолько сильная, что в сплавах с d_Mn-Mn, близким к d_c, фазовый переход от ферромагнитного к антиферромагнитному межплоскостному упорядочению может инициироваться температурными изменениями параметров кристаллической решетки», – дал детальное объяснение Евгений Герасимов.

Что понимается под термином анизотропия типа «легкая плоскость» и анизотропия типа «легкая ось»?

 «Анизотропия типа «легкая ось» в соединениях RM₂X₂ означает, что магнитные моменты атомов в отсутствии магнитного поля направлены вдоль тетрагональной с-оси – перпендикулярно атомным плоскостям. Анизотропия типа «легкая плоскость» означает, что магнитные моменты атомов расположены в пределах атомных плоскостей», – ответил Павел Терентьев.

Почему объектом исследования было выбрано соединение GdMn₂Si₂ и почему изменение типа магнитной анизотропии от «легкой оси» к «легкой плоскости» является необычным?

«Ранее, при исследовании магнитных свойств соединений La1-xGdxMn₂Si₂ (JOURNAL OF ALLOYS AND COMPOUNDS 769 (2018) 1096  https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.08.068) мы обнаружили необычное изменение типа магнитной анизотропии с ростом концентрации Gd. Магнитная анизотропия соединений изменялась от анизотропии типа «легкая ось» в соединении LaMn₂Si₂ к анизотропии типа «легкая плоскость» в соединениях La_1-xGd_xMn₂Si₂ с концентрацией Gd x ³ 0.4. Необычность этого изменения заключается в следующем. Магнитная анизотропия интерметаллических соединений на основе редкоземельных и 3d переходных металлов обычно аддитивно складывается из анизотропии редкоземельной и 3d переходной подрешетки. В случае соединений La_1-xGd_xMn₂Si₂ из анизотропии подрешетки La-Gd и подрешетки Mn. Подрешетка Mn всегда обладает сильной анизотропией типа «легкая ось». Подрешетка La-Gd вообще не должна обладать магнитной анизотропией, поскольку ионы La и Gd имеют нулевой орбитальный момент. Таким образом в соединениях La_1-xGd_xMn₂Si₂ при любой концентрации х должна была наблюдаться анизотропия типа «легкая ось». Тем не менее, с ростом концентрации Gd тип магнитной анизотропии соединений изменяется.

В 2018 году мы предположили, что изменение типа магнитной анизотропии в соединениях La_1-xGd_xMn₂Si₂ с концентрацией Gd x ³ 0.4 происходит вследствие появления магнитной фрустрации в слоистой структуре соединений и приводит к формированию в них «треугольной» магнитной структуры. Чтобы подтвердить это предположение, мы написали проекты на конкурсной основе на проведение исследований магнитной структуры соединения GdMn₂Si₂ на уникальном нейтронном дифрактометре в Гренобле (Франция) и на проведение магнитных измерений в сильных импульсных магнитных полях в Европейской лаборатории сильных магнитных полей в Дрездене (Германия). Уникальность нейтронного дифрактометра в Гренобле (Франция) заключается в том, что он позволяет «увидеть» магнитную структуру в соединениях с Gd, который сильно поглощает нейтроны и на «обычных» нейтронных дифрактометрах его не удается «увидеть», поскольку нейтроны на нем поглощаются, а не рассеиваются», – уточнили специалисты ИФМ.

«Проведенные нами исследования подтвердили существование «треугольной» магнитной структуры и причин возникновения анизотропии типа «легкая плоскость» в соединениях La_1-xGd_xMn₂Si₂ с концентрацией Gd x > 0.4. Измерения в сильных импульсных магнитных полях позволили нам определить константы обменных взаимодействий и предсказать поведение магнитных моментов соединений в еще более сильных магнитных полях.

Необходимо отметить, что все соавторы работы внесли существенный вклад в ее выполнение: академик РАН Николай Варфоломеевич Мушников, внс Василий Семенович Гавико, внс Андрей Федорович Губкин (ИФМ УрО РАН), Денис Игоревич Горбунов (HLD-EMFL), Генри Фишер (ILL)». (JOURNAL OF ALLOYS AND COMPOUNDS 818 (2020) 152902 https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152902)», –  подчеркнули Павел Терентьев и Евгений Герасимов.

Какие теоретические модели вы использовали для описания магнитных свойств соединений?

«В случае соединения GdMn₂Si₂ была использована теоретическая модель Яффета-Киттеля, предложенная ранее для описания магнитных свойств многоподрешеточных ферритов. Расчеты проводились с использованием численных методов», – сообщил Павел Терентьев.

          Какие следующие эффекты вы планируете в дальнейшем исследовать в слоистых соединениях?

«Мы планируем продолжить исследования по изучению магнитных фрустраций в слоистых соединениях. В настоящее время активно исследуются фрустрации в системах с треугольной кристаллической решеткой типа Кагомэ. Обнаруженные нами фрустрации в соединениях со слоистой кристаллической структурой расширяют класс фрустрированных систем и могут привлечь интерес для новых теоретических и экспериментальных исследований. Кроме того, в последнее время в мире возрастает интерес к исследованию аномального эффекта Холла в слоистых соединениях. Мы также работаем в этом направлении», – нацелены сотрудники Института физики металлов Евгений Герасимов и Павел Терентьев.

Развиваемые специалистами ИФМ УрО РАН подходы к решению вопросов анизотропии представили новые данные о магнитной структуре интерметаллидов. Актуальность изучения свойств и эффектов в слоистых соединениях определяет диапазон будущих исследовательских задач.

Все фотографии и изображения предоставлены Евгением Герасимовым и Павлом Терентьевым