Бинарные сплавы гольмий—эрбий как система с конкурирующей анизотропией

Бинарные сплавы гольмий—эрбий как система с конкурирующей анизотропией

Блинов А.Г., Боярский Л.А.

Институт неорганической химии СО РАН, 630090, Новосибирск, Новосибирский госуниверситет, 630090, Новосибирск

Введение

Магнитные системы с конкурирующими взаимодействиями привлекают внимание исследователей возможностями изучения тонких эффектов, относящихся к глобальной для физики конденсированного состояния вещества проблеме сильно коррелированных электронных систем. Теоретически вопрос о магнитном поведении веществ с конкурирующими обменными взаимодействиями был подробно рассмотрен М. Медведевым [1]. Не меньший интерес представляют системы с конкурирующей магнитной анизотропией. Естественно, что в случае сплавов редкоземельных металлов мы можем рассчитывать на наиболее яркое проявление указанной конкуренции. В РЗМ, как известно, энергия магнитной анизотропии оказывается одного порядка с обменной, стало быть, анизотропные эффекты должны быть достаточно велики. Теория магнитного поведения бинарных сплавов РЗМ друг с другом в рамках модели эффективного поля была предложена П. Линдгардом [2] и, независимо, Матсубарой [3]. Ими были получены фазовые диаграммы ряда бинарных систем и предсказано наличие тетракритических точек в сплавах тербия с эрбием и тулием, а также диспрозия с эрбием. Для системы гольмий—эрбий также предсказывалось наличие тетракритической точки в эквиатомном сплаве. Подробные экспериментальные данные, однако, имелись лишь для системы тербий—эрбий [4] и сплавов гадолиния с другими РЗМ [5].

Следует заметить, что в системе гольмий—эрбий, как и в других бинарных сплавах тяжелых РЗМ, в силу изоморфизма решеток наблюдается непрерывный ряд твердых растворов. В то же время на магнитные характеристики влияет конкурирующая анизотропия, поскольку в чистом гольмии моменты упорядочены в структуру «простая спираль», а для эрбия вблизи точки Нееля характерна продольная волна спиновой плотности. При понижении температуры магнитный порядок эрбия описывается сложной спиралью - суперпозицией спиральной структуры в базисной плоскости и синусоидальной волны спиновой плотности вдоль оси шестого порядка, причем периоды и фазы обеих субструктур совпадают (см., напр. [6]). С другой стороны, в низкотемпературной, ферромагнитной фазе металлы упорядочиваются одинаково - в коническую структуру со спонтанным моментом, направленным вдоль оси шестого порядка. Это означает, что именно в антиферромагнитной области наиболее ярко разыгрываются явления, связанные с конкурирующими анизотропными (спин-орбитальными) взаимодействиями.

В литературе имеются немногочисленные экспериментальные работы, посвященные изучению сплавов гольмий-эрбий [7-10]. Гринаф [7] изучал магни-тострикцию в полях до 2 Т эквиатомного сплава в антиферромагнитной области. Им были зафиксированы фазовые превращения в веерную фазу, определены значения критических магнитных полей. Бозорт с соавторами [8] исследовал

кривые намагничивания при 4,2 К монокристаллических образцов в полном диапазоне концентраций вдоль трех кристаллографических направлений. Авторы утверждают, что для сплава с эквиатомным составом имеет место инверсия энергии анизотропии. Авторы определили концентрационную зависимость температуры Кюри и попытались объяснить расхождение этих данных с теорией. Попытки построить фазовую диаграмму обсуждаемой системы на основании измерений термоэдс и электросопротивления были предприняты Абрамовой [9, 10]. Однако выводы, содержащиеся в цитируемых работах, весьма неконкретны, фазовая диаграмма не построена. Эти обстоятельства послужили побудительной причиной выполнения описанного ниже исследования.

Образцы, эксперимент, обсуждение

Нами было предпринято исследование магнитной фазовой диаграммы сплавов гольмий—эрбий. Изучено 9 образцов сплавов с содержанием эрбия от 30 до 85 ат. %, а также, в качестве опоры, образцы чистых гольмия и эрбия (монокристаллы). Сплавы были получены методом сплавления в индукционной печи из особочистого сырья в Институте металлургии им. А. А. Байкова РАН. Чистота исходных компонентов обеспечивала, согласно проведенным нами ранее исследованиям, совпадение температур фазовых переходов, определяемых по различным свойствам. Из сплавов вырезались образцы сферической формы для магнитных измерений и в виде прямоугольных стержней — для электрических. Перед измерениями проводился гомогенизирующий отжиг в вакууме при температуре 800° С в течение 5 часов. Для сохранения чистоты образцов в ампулу в качестве геттера помещались небольшие навески гадолиния. Гомогенность образцов контролировалась металлографически.

Электрические измерения проведены стандартным четырехконтактным методом, а магнитные - при помощи вибрационного магнитометра в магнитных полях напряженностью 25 Э. Термостатирование в каждой измеряемой точке было не хуже 3 мК. В интервале температур от 17 до 273 K были измерены зависимости электросопротивления и магнитной восприимчивости для всех образцов. Температуры фазовых переходов, как обычно, определялись по экстремумам температурных производных указанных характеристик. Таким способом были определены точки Нееля и Кюри, а также границы между различными магнитоупорядоченными фазами. В качестве иллюстрации на рис. 1 и 2 представлены результаты электрических измерений. Зафиксированные таким образом особые точки позволили нам построить магнитную фазовую диаграмму системы гольмий—эрбий (рис. 3).

Мы не ставили перед собой задачу исследования критического поведения сплавов, поскольку для этого нужны были бы монокристаллические образцы Общий характер особенностей производных восприимчивости и электросопротивления, на полученных нами кривых, не противоречил обычному для РЗМ поведению. Любопытно, однако, что аномалии вблизи точек перехода простая спираль - сложная спираль имели вид ступенек, а не пиков, как во всех других случаях (см. врезку на рис. 2).

Рис. 1. Температурные зависимости производных электросопротивления сплавов вблизи точки Нееля.

1-1-'-1-1-1-1-Г-

2П 30 Чй 50

Рис. 2. Производные электросопротивления сплавов вблизи точки Кюри.

На врезке - аномалии производной типа «ступенька» при переходе из геликоидальной фазы в смешанную.

т,к

120 т 80 б а чп 20

IV

П 20 40 Ей ВО I

О г Ег

На

Рис. 3. Фазовая диаграмма сплавов Но-Ег

I - парамагнитная фаза;

II - простая спираль;

III - сложная спираль;

IV - ПВСП;

V - конический ферромагнетизм

Отметим следующие особенности полученной нами фазовой диаграммы. Прежде всего, аномалии характеристик чистого эрбия в точках соизмеримости магнитных и кристаллографических периодов в сплавах не наблюдались. Мы связываем это обстоятельство как с поликристалличностью наших образцов, так и с тем, что замещение эрбия гольмием вносит дополнительные нарушения в периодичность кристаллического поля. Для наблюдения точек соизмеримости, очевидно, необходима когерентность структуры на значительных расстояниях. Далее, в отличие от ранее высказанных предположений, тетракритическая точка расположена вблизи 70 %-ной концентрации эрбия. Как было отмечено выше, согласно теоретическим расчетам тетракритическая точка должна быть расположена вблизи эквиатомного состава. Мы связываем наблюденное нами расхождение с тем, что в теории не учтено существование в эрбии фазы сложной спирали. Естественно, что ее наличие не могло не привести к смещению положения тетракритической точки в область более высоких концентраций эрбия. Обращает на себя внимание также достаточно широкая область существования простой спиральной структуры и, наоборот, небольшой интервал температур и концентраций, в котором магнитная структура описывается продольной волной спиновой плотности, характерной для чистого эрбия от 53 К до точки Нееля. Следует отметить, что в работе [5] на фазовой диаграмме Gd-Er также была от-

мечена область существования сложной спирали, а также продольной волны спиновой плотности.

Граница раздела между геликоидальной фазой и областью сложной спирали, на наш взгляд (с учетом результатов известной работы [8]), может быть определена как линия смены знака анизотропии. К сожалению, мы не можем сделать заключение о том, как будет вести себя подобная граница в парамагнитной области. Опять таки, для этого необходимо было бы провести измерения на монокристаллических образцах.

Таким образом, полученные нами уточненные данные, с одной стороны, не противоречат теоретическим расчетам, а с другой - содержат новую, ранее неизвестную информацию.

Авторы признательны Н.Б. Кольчугиной и О.Д. Чистякову за приготовление сплавов, а также А. А. Стонкусу и А.В. Масяго за помощь в измерениях. Работа поддержана ФЦП «Интеграция» (грант 274).

Литература

1. Медведев М.В. // Известия вузов: Физика. 1984. Т. 27. С. 3-22.

2. Lindgard P.A. // Phys. Rev. B. 1976. V. 14. P. 4074-4086.

3. Matsubara F., Inawashiro S. // J.Phys.Soc.Japan. 1977. V. 42. No 5. P. 1529-1537.

4. Fujii H. et al. // J.Phys.Soc.Japan. 1980. V. 49. No 5. P. 1740-1746.

5. Fujii H. et al. // J.Phys.Soc.Japan. 1976. V. 41. No 4. P. 1179-1186.

6. Habenschuss M. et al. // Phys. Rev. B. 1974. V. 10. P. 1020-1026.

7. Greenough R.D. // JMMM. 1981. V. 23. No 2. P. 97-104.

8. Bozhorth R.M. et al. // Intern. J. Magnetism. 1972. V. 2. No 1. P. 19-31.

9. Абрамова Л.И., Федоров Г.В. // ФММ. 1981. Т. 52. № 45. С. 988-993.

10. Абрамова Л.И. Особенности температурной зависимости термоэдс сплавов Ho-Er // Пензенский инж.-строит. институт, Пенза, 1985. Депонировано в ВИНИТИ № 2002-85.