WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI MANGANITÓW W POBLIŻU

WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI MANGANITÓW W POBLIŻU PROGU PERKOLACJI A. Wiśniewskia, R. Puźniaka, V. Markovichb, I. Fitaa, c, Ya. M. Mukovskiid a. Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, Warsaw, Poland b. Department of Physics, Ben-Gurion University of the Negev, Beer-Sheva, c. Donetsk Institute for Physics and Technology, NAS, Donetsk, Ukraine d. Moscow State Institute of Steel and Alloys, Moscow, Russia Israel

WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI …. Plan wykładu n Magnetyczny diagram fazowy La 1 -x. Cax. Mn. O 3 i Pr 1 -x. Srx. Mn. O 3. n Wpływ ciśnienia na właściwości magnetyczne i transportowe (TC, TMI). n Wpływ ciśnienia w pobliżu progu perkolacji x. C (niektóre prace teoretyczne przewidywały, że współczynnik ciśnieniowy d. TC/d. P maleje ze wzrostem domieszkowania). n Wpływ domieszkowania i ciśnienia na naturę magnetycznego przejścia fazowego w Pr 1 -x. Srx. Mn. O 3.

WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … Diagram fazowy La 1 -x. Cax. Mn. O 3 (LCMO) n Związki o zawartości Ca: x = 0 i x = 1 są AFM izolatorami n 0. 17 < x < 0. 25 – współistnieją dwie fazy FM (“metaliczna” i “izolatorowa”) n Próg perkolacji xc – krytyczny poziom domieszkowania, przy którym zmienia się charakter przewodnictwa ze zlokalizowanego (x < xc) na wędrowny (x > xc) n Dla LCMO: xc 0. 22

WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … Diagram fazowy Pr 1 -x. Srx. Mn. O 3 (PSMO) n PSMO – przy domieszkowaniu ma taką samą jak LCMO sekwencję przejść magnetycznych n LCMO i PSMO mają porównywalne Tc przy optymalnym domieszkowaniu n Mają podobny próg perkolacji, dla PSMO: xc 0. 24 n W obydwu związkach dla xc czynnik dopasowania (tolerance factor) ma wartość 0. 96, dla której zachodzi przejście strukturalne z fazy ortorombowej C. Martin et al. , PRB 60, 12 191 (1999) (c/a < 2) do pseudokubicznej (c/a 2).

WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI …. EKSPERYMENT n Monokryształy: La 1 -x. Cax. Mn. O 3 (x = 0. 18, 0. 20, 0. 22) i Pr 1 -x. Srx. Mn. O 3 (x = 0. 22, 0. 24, 0. 26) zostały wyhodowane metodą topnienia strefowego. n Pomiary magnetyczne pod ciśnieniem hydrostatycznym do 11 kbar (1. 1 GPa) zostały przeprowadzone za pomocą VSM. Użyto miniaturowej komory ciśnieniowej (Cu. Be) wypełnionej mieszaniną oleju mineralnego i nafty. n Mierzono próbki o cylindrycznym kształcie (średnica 1 mm, wysokość 4 mm, wzdłuż osi <110>).

WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … La 1 -x. Cax. Mn. O 3 - pomiary magnetyczne n Dla x = 0. 20, w pobliżu 70 K jest wyraźnie widoczna zmiana nachylenia zależności M(T), przypuszczalnie związana z przejściem do stanu typu szkła spinowego (brak takiej zmiany dla x = 0. 22). PRB 66, 094409 (2002) n Dla x = x. C = 0. 22 wzrost TC pod ciśnieniem jest największy.

WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … La 1 -x. Cax. Mn. O 3 – pomiary magnetyczne n Dla x = 0. 18 i 0. 20, wzrost Tc pod ciśnieniem jest porównywalny, dla obydwu związków w niskich temperaturach stanem podstawowym jest stan FM izolatora dominują oddziaływania nadwymiany (SE). n Dla x = x. C = 0. 22, współczynnik ciśnieniowy ma największą wartość, dla tego związku większą rolę odgrywają oddziaływania wymiany podwójnej (DE). PRB 66, 094409 (2002) n Ciśnienie ma większy wpływ na podwójną wymianę niż na nadwymianę.

WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … Pr 1 -x. Srx. Mn. O 3 – pomiary magnetyczne Dla x = 0. 22: § W pobliżu T ≈ 80 K widoczna jest zmiana nachylenia krzywych MFC i MZFC, jest ona prawdopodobnie związana z porządkowaniem się momentów magnetycznych Pr. § Tc podsieci Mn została określona jako punkt przegięcia krzywej M(T). Tc(Pr) jest określona jako maksymalna wartość d. MZFC/d. T. § Współczynniki ciśnieniowe PRB 71, 224409 (2005) obydwu Tc są diametralnie różne: d. Tc/d. P ≈ 1. 1 K/kbar natomiast d. Tc(Pr)/d. P ≈ -1. 7 K/kbar.

WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … Pr 1 -x. Srx. Mn. O 3 – pomiary magnetyczne n Dla x = 0. 24, w pobliżu TC dla P 4 kbar pojawia się lokalne maksimum na krzywej MFC(T). n Dla x = 0. 26, lokalne maksimum na krzywej MFC(T), w pobliżu TC, jest widoczne dla wszystkich ciśnień i jest wyraźniejsze niż dla x = 0. 24. n Lokalne maksimum na krzywej MFC w pobliżu TC może wskazywać na to, że przejście fazowe jest I rodzaju. n Współczynnik ciśnieniowy TC ma największą wartość dla x = x. C = 0. 26 PRB 71, 224409 (2005)

WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … Pr 1 -x. Srx. Mn. O 3 – pomiary transportowe n Tc(Mn) jest niższa niż temperatura przejścia MI (określona jako maksimum zależności oporu od T). „Rozsunięcie” TC i TMI – skutek współzawodnictwa pomiędzy oddziaływaniami DE i SE (to współzawodnictwo rośnie w pobliżu progu perkolacji). n Zmiany TMI i Tc pod wpływem ciśnienia są porównywalne. Ciśnienie modyfikuje „stan perkolacyjny”, zmienia ścieżki przewodnictwa. PRB 71, 224409 (2005)

WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … Wzrost współczynników d. TC/d. P i d. TMI/d. P dla x. C PRB 71, 224409 (2005) n Wzrost wartości d. TC/d. P dla x. C jest związany z różną naturą oddziaływań magnetycznych poniżej i powyżej x. C: dla x > xc nośniki są bardziej ruchliwe, magnetyczne i transportowe właściwości są zdominowane przez DE, dla x < x. C oddziaływania DE są częściowo zastąpione przez SE. n Ciśnienie ma większy wpływ na oddziaływania DE niż na SE. Ciśnienie (podobnie jak podstawienia chemiczne jonów o większym promieniu) powoduje wzrost kąta między wiązaniami Mn-O-Mn i zmniejsza długość wiązania Mn-O-Mn, prowadzi to do wzrostu szerokości pasma eg (W = cosw/(d. Mn-O)3. 5) i w konsekwencji do wyższych wartości Tc i TMI.

WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … Pr 1 -x. Srx. Mn. O 3 - natura magnetycznego przejścia fazowego Model Beana-Rodbella (Phys. Rev. 126, 104 (1962)) • W modelu tym rozważa się ferromagnetyk w przybliżeniu pola molekularnego. • Uwzględnia się zależność energii wymiany od odległości międzyatomowych, jeśli ta zależność jest słaba M(T) zmienia się w sposób ciągły, jeśli jest silna, funkcja M(T) staje się nieciągła. • Stałą pola molekularnego l wyraża się jako wielkość proporcjonalną do parametru n („parametru sprzężenia”) zależnego od spinu S. • Na podstawie analizy zależności zredukowanego namagnesowania m od T/Tc, można określić typ przejścia fazowego. Jeśli parametr n < 1, magnetyczne przejście fazowe jest II rodzaju, jeśli n > 1 przejście jest I rodzaju. • Novak et al. (PRB 60, 6655 (1999)) pokazali, że model B-R może być wykorzystany do analizy natury przejścia fazowego w manganitach.

WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … Pr 1 -x. Srx. Mn. O 3 –natura magnetycznego przejścia fazowego Porównanie wyników doświadczalnych z przewidywaniami modelu B-R pozwala, na podstawie analizy m od T/Tc, na określenie typu przejścia fazowego. Jeśli parametr n < 1, magnetyczne przejście fazowe jest II rodzaju, jeśli n > 1 przejście jest I rodzaju. PRB 71, 224409 (2005) § Charakter przejścia fazowego zmienia się z poziomem domieszkowania: dla x = 0. 22, przejście jest II rodzaju (n 0. 5), dla x = 0. 26 jest raczej I rodzaju (n 1, osobliwość MFC w TC), dla obydwu próbek rodzaj przejścia nie zależy od ciśnienia. § Dla x = 0. 24, widać wpływ ciśnienia na charakter przejścia: dla P = 0, przejście jest II rodzaju (n 0. 5), dla P=11 kbar jest I rodzaju (n 1, osobliwość MFC )

WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … Wnioski § Współczynniki ciśnieniowe d. TC/d. P i d. TMI/d. P silnie rosną w pobliżu progu perkolacji x. C i nie maleją powyżej x. C (wbrew przewidywaniom teoretycznym). § Pod wpływem ciśnienia może ulec zmianie charakter przejścia fazowego ferromagnetyk-paramagnetyk.

Nadprzewodnictwo diamentu domieszkowanego borem 29 (pod ciśnieniem normalnym) + 25 (pod ciśnieniem) = 54 (z 92 pierwiastków) kolor żółty kolor zielony C. Buzea, K. Robbie Supercond. Sci. Technol. 18 (2005) R 1 -R 8

Nadprzewodnictwo diamentu domieszkowanego borem Nadprzewodnictwo pierwiastków n Nb: TC = 9. 25 K (najwyższa TC pierwiastka) n Li: TC = 20 K pod p = 50 GPa (najwyższa TC pierwiastka pod ciśnieniem, przejście do struktury o niższej symetrii) n Si: TC = 8. 5 K pod p = 12 GPa, Ge: TC = 5. 4 K pod p = 11. 5 GPa n O: TC = 0. 6 K pod p = 120 GPa, Fe: TC = 2. 0 K pod p = 21 GPa n nadprzewodnictwo B pod ciśnieniem M. I. Eremets et al. Science 293, 272 (2001) próbka ~ 20 mm, elektrody pomiarowe ~2 mm p 160 GPa, TC = 6 K, TC = 11. 2 K pod p 250 GPa (!) n Święty Graal: metaliczny H: p 400 GPa, TC = TR) (500 GPa = 5 Mbar ciśnienie w środku Ziemi, pmax w kowadłach diamentowych 560 GPa A. L. Ruoff, H. Luo, Recent Trends in High Pressure Research, ed. A. K. Singh, IBH, Oxford, 1992)

PRESSURE EFFECTS ON MAGNETIC PROPERTIES …. La 1 -x. Cax. Mn. O 3 transport measurements n At TFI 150 K transition from FM insulating state to FM metallic n Under pressure huge reduction in r(T) and shift of TFI towards lower temperatures Pressure enhances carrier itinerancy, stabilizes the metallic phase and widens the temperature region of the metallic phase

PRESSURE EFFECTS ON MAGNETIC PROPERTIES …. La 1 -x. Cax. Mn. O 3 magnetic measurements n The difference between MFC and MZFC decreases under pressure increase of FM metallic regions at the expense of frustrated spin structures n Under pressure M increases

WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … La 1 -x. Cax. Mn. O 3 magnetic measurements n The different nature of FM interactions for x = 0. 20 and 0. 22 is also reflected in their M(H) curves For x = 0. 2 n Along easy direction M(H) does not saturate in fields up to 15 k. Oe n The anisotropy in (110) plane almost disappears in fields H > 12 k. Oe n Pressure gradually suppresses the magnetic anisotropy in (110) plane and at P = 8. 9 kbar the anisotropy vanishes completely For x = 0. 22 n Magnetization saturates in H ≈ 5 k. Oe and pressure practically does not affect M(H) curve