НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУР

ім. Б. І. ВЄРКІНА

На правах рукопису

ГАПОН Владислав Ігорович

УДК .622.5, .868

ВПЛИВ СВІТЛА НА ІНДУКОВАНІ МАГНІТНИМ ПОЛЕМ ФАЗОВІ

ПЕРЕХОДИ В ОКСИДАХ МАРГАНЦЮ Ca3Mn2Ge3O12 і Pr0.6La0.1Ca0.3MnO3

01.04.11 – Магнетизм

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків - 2006

Дисертацію є рукопис.

Робота виконана в Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України, м. Харків

Науковий керівник: | член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор, Гнатченко Сергій Леонідович, Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України, заступник директора.

Офіційні опоненти: | доктор фізико-математичних наук

Давиденко Ірина Іванівна, провідний науковий співробітник, Київський національний університет ім. Тараса Шевченка

доктор фізико-математичних наук

Кутько Володимир Іванович, провідний науковий співробітник, Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України

Провідна установа: | Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна (кафедра загальної фізики), Міністерство освіти і науки України, м. Харків

Захист відбудеться “ 11 ” квітня 2006 р. о 15 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д.64.175.02 в Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України (61103, м. Харків, пр. Леніна ).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Фізико-технічного інституту низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України (61103, м. Харків, пр. Леніна ).

Автореферат розісланий “ 9 ” березня 2006 р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради Д.64.175.02

доктор фізико-математичних наук, професор Ковальов О. С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дослідження впливу світла на фазові переходи в магнітоупорядкованих кристалах є актуальною науковою задачею. Вони дозволяють виявити і вивчити фізичні механізми, які відповідають за зміну стану магнетика під дією опромінення. Крім того, можливість керувати магнітним станом речовини за допомогою світла, особливо можливість спричиняти світлом локальні зміни стану в мікронній або субмікронній області магнетика, викликає інтерес з точки зору практичного застосування. Зокрема, результати досліджень впливу світла на фазові переходи у магнетиках можуть бути використані при розробці пристроїв запису, обробки та накопичення інформації на магнітних носіях.

В дисертаційній роботі приводяться результати дослідження впливу світла на індуковані магнітним полем фазові переходи в двох оксидах марганцю - гранаті та манганіті . Обидві сполуки вміщають іони і . Саме перенос заряду між цими іонами під дією світла лежить в основі фотоіндукованих процесів, що спостерігаються в цих з'єднаннях і приводять до зміни їх магнітного стану. Останнім часом оксиди марганцю з іонами і , головним чином манганіти з структурою перовскіту, викликають підвищений інтерес завдяки низці притаманних цим сполукам незвичайних властивостей. В першу чергу це ефект колосального магнітоопору, який проявляється в надзвичайно сильному падінні електричного опору під впливом зовнішнього магнітного поля. Електропровідність манганітів у магнітному полі може зростати на багато порядків. Зрозуміло, що така властивість манганітів робить їх дуже перспективними матеріалами з точки зору практичного застосування. Але манганіти мають також низку унікальних властивостей, які привертають до них увагу з боку фундаментальних досліджень. В манганітах спостерігаються різні типи магнітного упорядкування, зарядове та орбітальне упорядкування. Присутність в цих сполуках конкуруючих взаємодій (подвійний обмін, непрямий надобмін, кулонівська і електрон-фононна взаємодії) приводить до того, що їх електричними і магнітними властивостями легко керувати, змінюючи внутрішні параметри або зовнішні фактори. В манганітах спостерігається цілий ряд фазових перетворень: магнітні і структурні фазові переходи, перехід діелектрик-метал, переходи до орбітально- та зарядоупорядкованого станів. Тісний взаємозв'язок зарядових, орбітальних, спінових і граткових ступенів вільності приводить до того, що перехід діелектрик-метал або плавлення зарядового упорядкування можна викликати зовнішнім магнітним полем, а перехід з антиферомагнітного (АФМ) до феромагнітного (ФМ) стану - зовнішнім електричним полем.

На момент початку роботи над дисертацією в літературі з'явилися перші повідомлення про спостереження у манганіті фотоіндукованого фазового переходу, а саме переходу діелектрик-метал, індукованого світлом потужного імпульсного лазера. Вже перші результати досліджень фотоіндукованого переходу в манганіті показали перспективність застосування виявленого ефекту і викликали інтерес до подальшого розвитку цього напрямку. В зв'язку з викладеним вище можна визначити, що тема дисертаційної роботи, яка присвячена дослідженню впливу світла на індуковані магнітним полем фазові переходи в оксидах марганцю - гранаті та манганіті, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота була виконана в відділі магнетизму Фізико-технічного інституту низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України в рамках тематичного плану інституту по наступним відомчим темам: “Статичні і динамічні властивості магнітоконцентрованих систем” (номер держреєстру 0196U002953, термін виконання 1996-2000, шифр 1.4.10.4.8), “Низькотемпературні магнітні, оптичні і резонансні властивості сполук з сильною взаємодією магнітної, електронної та іонної підсистем” номер держреєстру 0100U006266, термін виконання 2001-2003, шифр 1.4.10.2.1), “Низькотемпературні властивості магнітоконцентрованих фероїків та твердотільних систем” (номер держреєстру 0104U003035, термін виконання 2004-2006, шифр 1.4.10.4.10). Частина результатів, які ввійшли до дисертації, були одержані в рамках міжнародного проекту INTAS 97-0366 “Metastable and photoexcited states in magnetic garnets” (термін виконання 1998-2000).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є експериментальне виявлення та встановлення основних закономірностей впливу світла на індуковані магнітним полем фазові переходи в оксидах марганцю - гранаті та манганіті . Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні задачі:

- магнітні, магнітооптичні та візуальні поляризаційні дослідження метамагнітного (ММ) фазового переходу, індукованого магнітним полем у гранаті , визначення полів переходу в опромінених і неопромінених зразках, порівняння одержаних результатів та виявлення впливу світла на фазовий перехід;

- виявлення і вимір фотоіндукованого магнітного моменту в гранаті за допомогою прецизійних магнітометричних досліджень на СКВІД  магнітометрі;

- дослідження впливу світла на магнітні та електричні властивості плівок манганіту , вивчення індукованого магнітним полем фазового переходу з АФМ діелектричного до ФМ металічного стану в опромінених і неопромінених зразках, порівняння одержаних результатів та виявлення впливу світла на фазовий перехід;

- розвиток теоретичних моделей, які описують вплив світла на індуковані магнітним полем фазові переходи в досліджених оксидах марганцю.

Об'єкт дослідження - фазові переходи в магнітоупорядкованих сполуках.

Предмет дослідження - вплив світла на магнітний та електричний стани, фазові переходи в оксидах марганцю.

Методи дослідження. В роботі використовувались наступні експериментальні методи досліджень: магнітометричний, магнітооптичний, метод візуальних поляризаційних спостережень, метод вимірювання електричного опору.

Наукова новизна одержаних результатів. При виконанні дисертаційної роботи був виявлений вплив світла на магнітні фазові переходи в досліджених оксидах марганцю. Одержано ряд нових наукових результатів, важливих для розуміння фізичних процесів, що відбуваються в магнетиках з іонами змінної валентності під дією світла та приводять до змін магнітного і електричного станів. До найбільш важливих пріоритетних результатів роботи відносяться наступні наукові результати:

1. Виявлено, що лінійно поляризоване світло може стимулювати або подавляти індукований магнітним полем метамагнітний фазовий перехід в АФМ гранаті , що приводить відповідно до зменшення або збільшення поля переходу.

2. В межах феноменологічної моделі, отримано вираз для зсуву поля метамагнітного фазового переходу в гранаті під дією опромінення лінійно поляризованим світлом. Зміна поля переходу під дією опромінення пов'язана з виникненням у кристалі фотоіндукованого магнітного моменту.

3. Вперше безпосередньо прямими дослідами експериментально встановлено, що опромінення граната лінійно поляризованим світлом приводить до виникнення в цьому кристалі фотоіндукованого магнітного моменту.

4. Для двох випадків напрямку розповсюдження світла та орієнтації магнітного поля в гранаті ( та ) в рамках феноменологічного підходу знайдені ненульові компоненти фотоіндукованого магнітного моменту та визначена їх залежність від орієнтації площини поляризації світла відносно кристалографічних осей.

5. Виявлено, що опромінення плівок манганіту в магнітному полі при низьких температурах стимулює фазовий перехід з АФМ діелектричного до ФМ металічного стану.

6. Запропонована модель фотоіндукованого фазового переходу з АФМ діелектричного до ФМ металічного стану та механізм впливу світла на стан манганіту.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані в роботі нові результати розширюють існуючи уявлення про фотоіндуковані явища в магнітоупорядкованих сполуках. Результати дослідження впливу світла на магнітні фазові переходи в АФМ оксидах марганцю і розвинуті для їх описання теоретичні моделі можуть бути використані в подальших наукових дослідженнях фотоіндукованих явищ в магнетиках і практичних розробках систем запису, обробки і накопичення інформації. Безумовний інтерес для практичного використання представляє можливість керування магнітним фазовим переходом за допомогою опромінення, а також можливість індукувати лінійно поляризованим світлом в АФМ кристалі магнітний момент, величина і напрям якого залежать від поляризації світла.

Особистий внесок автора. Дисертант вніс визначальний внесок в роботи з теми дисертації, які були виконані в співавторстві. В роботах [1-5, ] автор приймав активну участь в підготовці і проведенні магнітооптичних експериментів, плануванні і підготовці магнітних вимірів, аналізі обробці та обговорюванні одержаних експериментальних результатів, підготовці публікацій. В роботах [6, ] автор приймав активну участь в плануванні і підготовці всіх експериментів, виконав дослідження електричних властивостей зразків, брав активну участь у аналізі та інтерпретації одержаних експериментальних даних, підготовці і написанні публікацій. Одержані в дисертації результати доповідалась автором на міжнародних наукових конференціях і семінарах.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідались на наступних міжнародних конференціях: 7th European Magnetic Materials and Application Conference (Zaragosa, Spain, 1998), 31 Совещание по физике низких температур (Москва, Россия, 1998), 32 Всероссийское совещание по физике низких температур (Казань, Россия, 2000), 11th Czech and Slovak Conference on Magnetism (Kosice, Slovakia, 2001), 15th Soft Magnetic Materials Conference (Bilbao, Spain, 2001), 12th Czech and Slovak Conference on Magnetism (Kosice, Slovakia, 2004), 20th General Conference Condensed Matter Division (Prague, Czech Republic, 2004), Workshop on Anomalous Phenomena in Strongly Correlated Electron Materials (Wroclaw, Poland, 2005).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 6 статтях в реферованих журналах і в 8 тезах доповідей міжнародних конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел. Вона викладена російською мовою на 130 сторінках, з яких 114 сторінок займає текст з 39 рисунками. Список використаних джерел з 137 найменувань займає 14 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, зазначений її зв’язок з відомчою тематикою, сформульовано мету і задачі досліджень, особистий внесок здобувача, наукову новизну отриманих результатів, їх наукове та практичне значення.

Перший розділ є оглядовим і містить стислий огляд літературних даних про відомі приклади впливу світла на фазові переходи в магнітовпорядкованих сполуках. Коротко описано вплив світла на магнітні фазові переходи у напівпровідниках, феромагнетиках, антиферомагнетиках, низьковимірних та органічних сполуках. Більш детально розглянуто індуковані світлом фазові переходи у залізо-ітрієвому гранаті та манганітах. На основі зробленого літературного огляду обґрунтовано мету і задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі приведено опис експериментальних методик та обладнання. У роботі експериментально досліджувався вплив світла на фазові переходи, індуковані магнітним полем в монокристалічних пластинах гранату і епітаксіальних плівках манганіту .

Метамагнітний фазовий перехід у гранаті вивчався методами поляризаційної магнітооптики. Проводилися вимірювання польових і температурних залежностей кута повороту еліпса поляризації світла, а також візуальні спостереження двохфазної доменної структури, яка утворювалася в процесі ММ переходу. Для вимірювання кута повороту використовувалась магнітооптична установка з модуляцією світла по площині поляризації та синхронним детектуванням сигналу, а для спостереження доменної структури – магнітооптична установка на базі поляризаційного мікроскопу. Дослідження ММ фазового переходу проводились в опромінених і неопромінених світлом зразках. Тому в магнітооптичній установці використовувались два пучки світла: більш потужний пучок He-Ne лазера (? 633 нм, щільність світлового потоку до 0,1 Вт/cм2) для індукування ефекту і ослаблений пучок He-Ne лазера або лампи накалювання для вимірювання кута повороту еліпса поляризації світла та візуального спостереження доменної структури, відповідно. Магнітооптична установка дозволяла проводити дослідження в магнітних полях до 50 кЕ при температурах від 6 К до кімнатної температури.

Перехід з АФМ діелектричного до ФМ металічного стану у плівках манганіту , а також ММ фазовий перехід у гранаті вивчалися магнітометричним методом. Магнітний момент зразків вимірювався за допомогою СКВІД-магнітометру MPMS-5 Quantum Design. Магнітометр мав спеціальну вставку для кріплення зразків, яка була обладнана світловодом, що давало можливість проводити магнітні вимірювання при одночасному опромінюванні зразків лінійно поляризованим або неполяризованим світлом. Магнітні вимірювання можна було проводити в полях до 50 кЕ в температурній області від 1,5 К до кімнатної температури.

Перехід з АФМ діелектричного до ФМ металічного стану у плівках манганіту вивчався також за допомогою вимірів електричного опору. В цих експериментах використовувались оптичні кріостати, які давали можливість проводити вимірювання в температурній області від гелієвих температур до кімнатної при одночасному опромінюванні зразків світлом. Магнітне поле створювалося за допомогою надпровідникового соленоїда (до 50 кЕ) або електромагніта (до  кЕ).

Наприкінці другого розділу приведено дані про кристалічну та магнітну структуру сполук, що досліджувалися. Описано методику вирощування монокристалів АФМ граната та методи приготування тонких (товщиною 30-100 мкм) монодоменних пластин цього кристалу, які використовувались в експериментах. Описана також методика приготування досліджуваних в роботі тонких (товщина близько 350 нм) епітаксіальних плівок манганіту на підкладках SrTiO3 і SrLaGaO4 та приведені дані про їх однорідність і структуру.

Третій розділ присвячено результатам магнітооптичних і магнітних досліджень впливу лінійно поляризованого світла на ММ фазовий перехід у монокристалах АФМ граната . У першому підрозділі розглянуто кристалічну та АФМ доменні структури, що утворюються в цьому гранаті під час ян-телерівського фазового переходу (ТЯТ і при магнітному впорядкуванні (TN = 13,5Описано процеси монодоменизації зразків термообробкою та у похилому магнітному полі. Також у першому підрозділі розглянуто двофазну доменну структуру, що утворюється в процесі індукованого магнітним полем фазового переходу з АФМ до ММ стану, та наведені магнітні фазові H-T діаграми граната для випадків, коли магнітне поле орієнтовано вздовж кристалографічних осей і .

У другому підрозділі третього розділу наведені результати досліджень впливу лінійно поляризованого світла на ММ фазовий перехід, індукований полем (  – тетрагональна вісь кристала). Проводилося візуальне спостереження впливу опромінення на двофазну доменну структуру. Двофазна доменна структура, що спостерігається під час переходу в опроміненому зразку, показана на рис. 1 (температура зразка T = 7). Попередньо верхня (1) і нижня (2) частини зразка були опроміненні світлом з поляризацією або . На малюнку (a) верхня частина зразка (1) була опромінена світлом з поляризацією , а нижня частина (2) – світлом з поляризацією . На малюнку (b) верхня частина (1) була опромінена світлом з поляризацією , нижня (2) – світлом з поляризацією . В обох випадках світло з поляризацією стимулює, а світло з поляризацією затримує ММ фазовий перехід.

Рис. . Двохфазна доменна структура, що утворюється в полі при ММ фазовому переході в пластині граната , яка попередньо була опромінена лінійно поляризованим світлом.

Подальше дослідження впливу лінійно поляризованого світла на ММ фазовий перехід проводилися шляхом виміру польових залежностей кута повороту еліпса поляризації світла в неопроміненому і опроміненому зразку. В другому випадку зразок опромінювався світлом з поляризацією або попередньо перед виміром польових залежностей. Отримані залежності показані на рис. 2. Було виявлено, що опромінення світлом призводить до зсуву поля фазового переходу. Зсув відбувається в сторону більших або менших полів в залежності від поляризації світла, що його індукує. Величина зсуву поля переходу однакова для обох поляризацій світла і дорівнює близько 90 Е при Т  K. Виявлені фотоіндуковані зміни поля ММ фазового переходу зберігаються протягом багатьох годин після опромінення.

Рис. . Залежності кута повороту еліпса поляризації світла від магнітного поля, виміряні при в пластині гранату , яка попередньо була опромінена лінійно поляризованим світлом.

За допомогою магнітометра проводилися виміри фотоіндукованого магнітного моменту в напрямку уздовж тетрагональної осі у магнітному полі . Площина поляризації індукуючого світла була близька до площини кристала . Зміна намагніченості граната під дією опромінення показана на рис. .

Рис. . Залежності фотоіндукованої зміни намагніченості гранату від часу опромінення лінійно поляризованим світлом.

Намагніченість вимірялася в двох АФМ станах AFM+ і AFM-. Опромінення кристала лінійно поляризованим світлом з поляризацією індукує в АФМ станах AFM+ і AFM- протилежно спрямовані магнітні моменти, абсолютна величина яких практично однакова. В ММ стані фотоіндукованої зміни намагніченості в розглянутому випадку виявлено не було.

У третьому підрозділі третього розділу наведені результати досліджень впливу лінійно поляризованого світла на ММ фазовий перехід, індукований у гранаті полем . Досліджувалися польові залежності кута повороту еліпса поляризації і польові залежності намагніченості до і після опромінення кристала світлом з поляризацією і . Напрямок поширення індукуючого світла був паралельний кристалографічній осі [100]. Польові залежності кута повороту показані на рис. . Як і у попередньому випадку, у випадку спостерігається фотоіндукований зсув поля ММ переходу. Його величина залежить від поляризації індукуючого світла, але для обох досліджених поляризацій зсув відбувається в сторону менших полів. Як видно з рис. , після опромінення кристала світлом з поляризацією або фазовий перехід відбувається в менших полях, ніж у неопроміненому кристалі. Величина зсуву поля фазового переходу при опроміненні залежить від температури. З польових залежностей у випадку були отримані величини фотоіндукованого зсуву поля фазового переходу у температурному інтервалі 713У всьому температурному інтервалі опромінення приводить до зменшення поля переходу. При поле фазового переходу змінюється під дією світла значно більше, ніж у випадку . Максимальна величина фотоіндукованого зсуву поля переходу спостерігалася при Т ?  К і становила близько 1,2 кЕ.

Рис. . Залежності кута повороту еліпса поляризації світла від магнітного поля, виміряні при в пластині гранату до і після опромінення її лінійно поляризованим світлом.

Фотоіндукований зсув поля ММ фазового переходу при спостерігався також при вимірах польових залежностей магнітного моменту кристала уздовж осі . Як і при магнітооптичних дослідженнях, зразок опромінювався лінійно поляризованим світлом з поляризацією або . Результати магнітометричних досліджень добре збігаються з приведеними вище магнітооптичними результатами. При вимірюванні магнітного моменту граната в процесі опромінювання в випадку було виявлено фотоіндукований магнітний момент в АФМ і ММ станах.

У наступних підрозділах третього розділу в рамках феноменологічного підходу отримані ненульові компоненти фотоіндукованого магнітного моменту в гранаті і визначена їх залежність від орієнтації площини поляризації світла відносно кристалографічних осей. Також приведено отриманий в межах феноменологічної моделі вираз для зсуву поля метамагнітного фазового переходу в гранаті під впливом лінійно поляризованого світлового опромінення.

Було показано, що в опроміненому лінійно поляризованим світлом кристалі, може виникнути фотоіндукований магнітний момент:

,

компоненти якого залежать від поляризації світла, а також кристалічної та магнітної симетрії кристалу. В наведеному виразі – напруженість електричного поля світлової хвилі, і – симетричний по i та k аксіальний с-тензор і симетричний по двох парах індексів i, k та l, m полярний і-тензор. Перший з них визначається магнітною, а другий кристалічною симетрією. З урахуванням того, що точкова магнітна група граната є , а його кристалічний клас Лауе – , були знайдені вирази для компонент фотоіндукованого магнітного моменту для двох випадків і . В першому випадку, коли індукуюче світло розповсюджується уздовж осі , вирази для компонент фотоіндукованого моменту мають вигляд:

,

,

,

де – кут між площиною поляризації світла та віссю , а знаки “+” і “–” відповідають двом АФМ станам АФМ+ і АФМ-, які пов’язані між собою операцією симетрії – інверсія часу. Як видно з приведених формул, phmz має протилежні знаки в АФМ станах АФМ+ і АФМ- при Bzzxx = 0, що співпадає з експериментом (рис.3).

В другому випадку, коли індукуюче світло розповсюджується уздовж осі , вирази для компонент фотоіндукованого моменту мають вигляд:

,

,

,

де – кут між площиною поляризації світла та віссю , а знаки “+” і “–” відповідають, як і у попередньому випадку, двом АФМ станам АФМ+ і АФМ-.

Враховуючи, що поява фотоіндукованого магнітного моменту приводить до зміни енергії магнетика на величину -, з умови рівності енергій AFM і MM станів в точці фазового переходу було знайдено вираз для величини зсуву поля ММ переходу під дією опромінення:

В наведеному виразі Ht – поле ММ фазового переходу в неопроміненому кристалі, а індекси A і M відносяться до AFM і MM фаз, відповідно. Були проведені оцінки для двох випадків і . Розраховані значення задовільно співпадають з експериментальними.

Четвертий розділ містить результати комплексних досліджень резистивних і магнітних властивостей епітаксіальних плівок у магнітному полі і результати вивчення впливу світла на індукований полем фазовий перехід АФМ діелектрик – ФМ метал. В перших трьох підрозділах четвертого розділу приведені результати досліджень впливу світла на магнітні властивості плівок манганіту і фазовий перехід з АФМ до ФМ стану. Виміри польових залежностей магнітного моменту показали, що в плівках в області температур T < спостерігається індукований магнітним полем фазовий перехід з АФМ у ФМ стан. На рис. показана залежність (світлі квадрати), яка була виміряна після охолодження зразка від кімнатної температури в відсутності магнітного поля. Ця первинна після охолодження залежність вимірялася при збільшенні магнітного поля від 0 до 50 кЕ без опромінення. На кривій можна бачити злам в полі  кЕ, який пов’язаний з початком переходу плівки до ФМ стану. В плівці (підкладка SrLaGaO4), для якої приведена залежність на рис. 5, завершення переходу АФМ - ФМ не відбувається в полях до 50 кЕ. Але в плівці з підкладкою SrTiO3 перехід з АФМ до ФМ стану спостерігався в менших зовнішніх полях і на залежності виявляється другий злам, який пов’язаний з завершенням переходу до ФМ стану. При зменшенні зовнішнього магнітного поля залежність лежить на графіку (рис. 5) значно вище, ніж первинна залежність, що була виміряна при збільшенні поля. Залежність , що вимірювалась при наступному збільшенні поля, практично з нею збігається. Таким чином, перехід з АФМ у ФМ стан, що індукується магнітним полем, є необоротний. Поле, у якому починається перехід, зменшується під впливом світлового опромінення. Темними точками на рис. показана залежність , яка була отримана таким же чином як і попередня, але після опромінення зразка. Як видно з рис. , опромінення плівки манганіту світлом призводить до зменшення поля , у якому починається перехід с АФМ до ФМ стану, на величину близько 15 кЕ при Т =  К.

Рис. . Залежності магнітного моменту від магнітного поля, які виміряні в неопроміненій () і опроміненій () плівці .

Опромінення плівок манганіту світлом у магнітному полі спричиняло зростання магнітного моменту. На рис. 6 приведена залежність магнітного моменту плівки від часу опромінення. Попередньо плівка була охолоджена від кімнатної температури в відсутності магнітного поля. Потім вводилося магнітне поле H >1 і через деякий час вмикалось опромінювання. Як видно з рис. 6, під дією світла магнітний момент плівки манганіту швидко зростає, потім зростання його уповільнюється і через кілька годин досягається насичення. Зростання намагніченості манганіту при опромінюванні не може бути пояснене тривіальним нагрівом зразка. Фотоіндуковані зміни магнітного моменту зберігалися при низькій температурі протягом тривалого часу. Релаксація фотоіндукованого моменту не була виявлена при дослідженнях протягом 20 годин після вимкнення опромінення. Відзначимо, що збільшення намагніченості під впливом світла спостерігалося і в полях H < H1.

Рис. . Залежність магнітного моменту плівки від часу опромінення. Світлі точки отримані без опромінення, темні точки – при опроміненні плівки.

Досліджувався також влив світла на температурні залежності магнітного моменту m(T) плівок манганіту . Було виявлено фотоіндуковане зростання намагніченості плівок в області температур T <  K, якщо плівка попередньо охолоджувалася в відсутності магнітного поля. Під дією опромінення магнітний момент плівки досягав значень, які спостерігалися на температурній залежності m(T), що вимірювалася після охолодження зразка в магнітному полі. Тобто ZFC залежності m(T), які були виміряні в опроміненій плівці, співпадали з FC залежностями m(T), що вимірювались до і після опромінення (останні практично не відрізнялися).

В четвертому і п’ятому підрозділах четвертому розділу приведені результати досліджень впливу світла на резистині властивості плівок манганіту та фазовий перехід з діелектричного до металічного стану, який спостерігався при T Вивчався вплив світла на польові залежності електричного опору плівок. Величина електричного опору плівок дорівнює  Ом при кімнатній температурі і зростає з зниженням температури. Залежності електричного опору неопроміненої і опроміненої плівки від магнітного поля при T показані на рис. . Ці залежності виміряні при першому введенні магнітного поля після охолодження плівки від кімнатної температури. На рис. можна бачити, що на залежностях перехід АФМ діелектрик – ФМ метал відбувається в менших полях, ніж на залежностях . Різниця, що спостерігається, пов’язана з впливом на перехід електричного поля, що присутнє при вимірюванні опору. При зменшенні магнітного поля зворотний перехід з металічного в діелектричний стан не спостерігається. Таким чином, резистивні виміри, як і магнітні, показують, що індукований магнітним полем перехід АФМ діелектрик – ФМ метал є необоротним. Електричні виміри показали, що світлове опромінення стимулює перехід у металічний стан (рис. ). Після опромінення плівки спостерігається зсув поля переходу діелектрик – метал в сторону менших полів на величину близько 4 кЕ.

Рис. . Залежності електричного опору плівки від магнітного поля, які були виміряні при T = 25 в неопроміненій (точки ()) і опроміненій (точки ()) плівці.

Фотоіндукований перехід з діелектричного в металічний стан показаний на рис. , на якому представлена часова залежність зміни електричного опору плівки манганіту під дією світлового опромінення. В цьому експерименті величина зовнішнього магнітного поля установлювалася меншою, ніж поле переходу у неопроміненій плівці. Під дією опромінення опір плівки зменшується на порядки величини. Зниження опору під дією світла близько до його зниження, яке відбувається під час фазового переходу в магнітному полі. Залежність плівок, яка вимірювалася після індукованого світлом фазового переходу, мала металічний характер, так же як і залежність після фазового переходу індукованого магнітним полем.

Рис. . Залежність електричного опору пливкі від часу опромінення. Світлі точки виміряні в відсутності опромінення, темні точки – при опромінення плівки. Стрілкою зазначений момент включення світла.

Базуючись на отриманих експериментальних результатах було розвинуто модельний опис фотоіндукованого фазового переходу АФМ діелектрик – ФМ метал в манганіті . Механізм впливу світла на магнітні та електричні властивості плівок пов’язується з неоднорідним станом манганіту. При низьких температурах навіть у відсутності магнітного поля в плівках існують ФМ металічні кластери всередині АФМ діелектричної матриці. Опромінення манганіту світлом приводить до появи нових та росту існуючих ФМ металічних кластерів, що супроводжується зростанням намагніченості та зменшенням електричного опору плівки. В результаті зростання об’єму ФМ фази під дією світла фазовий перехід АФМ діелектрик – ФМ метал відбувається в менших магнітних полях. Процес зростання об’єму ФМ фази може відбуватися за рахунок фотоіндукованого переносу електронів з іонів до іонів . Опромінювання може визвати переходи електронів між цими іонами через орбіталь кисню. Перерозподіл іонів і в кристалічній гратці манганіту може привести до плавлення зарядового впорядкування, що має місце у АФМ діелектричному стані і стимулювати перехід до ФМ металічного стану. Зростання об'єму ФМ кластерів до певної величини призводить до появи перколяційного кластеру. З цього моменту плівка манганіту буде показувати металічну провідність, не зважаючи на те, що значна частина її об’єму перебуває в АФМ діелектричному стані. Подальше опромінення манганіту світлом призведе до росту об’єму ФМ кластерів та збільшенню намагніченості плівки. При цьому її електричний опір буде змінюватися незначно, оскільки провідність плівки обумовлюється першим перколяційним кластером.

ВИСНОВКИ

1. Виявлено вплив лінійно поляризованого світла на індукований магнітним полем метамагнітний фазовий перехід в АФМ гранаті . Встановлено, що в випадку ( - тетрагональна вісь кристала) опромінювання, в залежності від орієнтації площини поляризації світла відносно кристалографічних осей, може стимулювати або подавляти метамагнітний перехід. В випадку опромінювання призводить до зменшення поля фазового переходу з антиферомагнитного до феромагнітного стану, але величина, на яку зменшується поле переходу, залежить від орієнтації площини поляризації відносно кристалографічних осей.

2. За допомогою прецизійних магнітометричних досліджень експериментально виявлено виникнення фотоіндукованого магнітного моменту в гранаті при опромінюванні кристала лінійно поляризованим світлом. Величина і напрямок фотоіндукованого моменту залежать від орієнтації площини поляризації світла відносно кристалографічних осей. В випадку фотоіндукований магнітний момент виявлений тільки в АФМ стані, а в випадку - як в АФМ, так і в метамагнітному стані. Фотоіндукований магнітний момент має протилежну орієнтацію в двох можливих АФМ станах гранату АФМ+ и АФМ-, які пов'язані між собою операцію симетрії - інверсія часу.

3. Для двох випадків напрямку розповсюдження світла та орієнтації магнітного поля в гранаті ( та ) в рамках феноменологічного підходу знайдені ненульові компоненти фотоіндукованого магнітного моменту та визначена їх залежність від орієнтації площини поляризації світла відносно кристалографічних осей. Отримані вирази для компонент фотоіндукованого магнітного моменту описують спостережувані у експерименті особливості, а саме залежність величини та напрямку фотоіндукованого моменту від орієнтації площини поляризації світла та протилежну орієнтацію фотоіндукованого магнітного моменту в АФМ станах АФМ+ и АФМ-. На мікроскопічному рівні виникнення фотоіндукованого магнітного моменту пов'язується з перерозподілом під впливом лінійно поляризованого світла іонів , які містяться в невеликій кількості в гранаті , між магнітними підґратками кристала (фотоіндукований перенос заряду між іонами та ).

4. В межах феноменологічної моделі отримано вираз для зсуву поля метамагнітного фазового переходу в гранаті під впливом лінійно поляризованого світлового опромінення. Зміна поля переходу під дією світла пов’язана з виникненням у кристалі фотоіндукованого магнітного моменту. З урахуванням отриманих експериментальних величин фотоіндукованого магнітного моменту проведені оцінки величин зсуву поля метамагнітного фазового переходу під впливом опромінення для двох орієнтацій, що вивчалися та , та отримано задовільний збіг з експериментом.

5. Виявлено, що опромінення плівок манганіту в магнітному полі при низьких температурах T < 50 стимулює індукований магнітним полем фазовий перехід з антиферомагнитного діелектричного до феромагнітного металічного стану. В опромінених плівках фазовий перехід відбувається при менших величинах магнітного поля порівняно с неопроміненими плівками. Опромінення призводить до зростання намагніченості, та зменшення електричного опору .

6. Встановлено, що фотоіндукований перехід з АФМ діелектричного до ФМ металічного стану в манганіті є незворотнім. Зміни стану манганіту, що викликані опромінюванням, залишаються після вимкнення магнітного поля і проявляються при наступному його введенні в тому ж вигляді, в якому вони спостерігалися після опромінення плівки в магнітному полі. Релаксація фотоіндукованих змін намагніченості та електричного опору при низьких температурах не спостерігається.

7. Експериментально виявлено, що при однакових умовах опромінювання фотоіндукована зміна електричного опору плівок досягає насичення значно швидше, ніж фотоіндукована зміна намагніченості. Ця особливість протікання фотоіндукованого фазового переходу в манганіті пов’язується з виникненням перколяційного металічного кластера. Після формування перколяційного кластера при подальшому зростанні об'єму ФМ металічної фази під дією опромінення електричний опір плівки змінюється несуттєво, тоді як намагніченість продовжує зростати пропорційно об'єму ФМ фази.

8. Запропонована модель фотоіндукованого переходу з АФМ діелектричного до ФМ металічного стану в манганіті , що враховує неоднорідний стан кристалу. Відповідно моделі, опромінювання манганіту приводить до утворення нових і зростання існуючих ФМ металічних кластерів всередині АФМ діелектричної фази. Зростання концентрації ФМ металічної фази під дією опромінювання веде до зростання намагніченості і зменшення електричного опору. Таким чином, світло стимулює перехід з АФМ діелектричного до ФМ металічного стану і зміщує його в область менших полів. Механізм впливу світла на стан манганіту може бути пов'язаний з фотоіндукованим переносом заряду між іонами і . Фотоіндуковані зміни порядку розташування іонів і в кристалічній гратці сприяють руйнуванню зарядового упорядкування, яке має місце в АФМ діелектричній фазі, і переходу манганіту до ФМ металічного стану.

ОПУБЛІКОВАНІ ПРАЦІ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бедарев В.А., Гапон В.И., Гнатченко С.Л. Влияние линейно поляризованного света на метамагнитный фазовый переход в гранате // ФНТ. - 1999. - Т. 25, № 1. - С. .

2. Gnatchenko S.L., Gapon V.I., Jansen A.G.M., Wyder P. Magneto-optical study of the magnetic H-T phase diagram of single crystal // J. Magn. Magn. Mater. - 1999. - Vol. 204, № 3. - P. .

3. Bedarev V.A., Gapon V.I., Gnatchenko S.L., Baran M., Szymczak R., Desvignes J.-M., Le Gall H. Effect of light illumination on antiferromagnet-metamagnet phase transition in the garnet // ФНТ. – 2002. - Т. 28, № 1. - С. .

4. Baran M ., Bedarev V.A., Desvignes J.-M., Gapon V.I., Gnatchenko S.L., Le Gall H., Szymczak R. Photoinduced change of metamagnetic phase transition field in the garnet // Europhys. Lett. - 2002. - Vol. 57, № 6. - P. .

5. Bedarev V.A., Gapon V.I., Gnatchenko S.L., Baran M., Szymczak R., Desvignes J.-M., Le Gall H. Metamagnetic phase transition in photoilluminated garnet // J. Magn. Magn. Mater. – 2003. - Vol. . - P. .

6. Aleshkevych P., Baran M., Бедарев В.А., Гапон В.И., Горбенко О.Ю., Гнатченко С.Л., Кауль А.Р., Szymczak R., Szymczak H. Влияние света на фазовый переход антиферромагнитный диэлектрик – ферромагнитный металл в тонких пленках // ФНТ. - 2004. - Т. 30, № 12. - С. .

7. Bedarev V.A., Gapon V.I., Gnatchenko S.L. Effect of light on metamagnetic transition in garnet // Abstracts of “7th European Magnetic Materials and Application Conference”. - Zaragosa (Spain). - 1998, - P.P117.

8. Бедарев В.А., Гапон В.И., Гнатченко С.Л. Влияние света на метамагнитный фазовый переход, индуцированный полем в антиферромагнетике // Тезисы Меджунар. конф. “31 Совещание по физике низких температур”. - Москва (Россия). – 1998. - С. .

9. Бедарев В.А., Гапон В.И., Гнатченко С.Л. Изменение величины поля метамагнитного фазового перехода в гранате вследствие облучения его поляризованным светом // Тезисы Меджунар. конф. “32 Всероссийское совещание по физике низких температур”. – Казань (Россия). – 2000. – C. .

10. Bedarev V.A., Gapon V.I. Gnatchenko S.L., Baran M., Szymczak R., Desvignes J-M., Le Gall H. Photoinduced change of metamagnetic phase transition field in garnet // Abstracts of “11th Czech and Slovak Conference on Magnetism (CSMAG`01)”. - Kosice (Slovakia). – 2001. - P. .

11. Bedarev V.A., Gapon V.I., Gnatchenko S.L., Baran M., Szymczak R., Desvignes J-M., Le Gall H. Metamagnetic phase transition in photoilluminated garnet // Abstracts of “15th Soft Magnetic Materials Conference”. –Bilbao (Spain). – 2001. - P..

12. Aleshkevych P., Baran M., Бедарев В.А., Гапон В.И., Горбенко О.Ю., Гнатченко С.Л., Кауль А.Р., Szymczak R., Szymczak H. AFM dielectric - FM metal transition under the light illumination in thin films // Abstracts of “12th Czech and Slovak Conference on Magnetism (CSMAG`04)”. -Kosice (Slovakia). – 2004. – P. .

13. Aleshkevych P., Baran M., Бедарев В.А., Гапон В.И., Горбенко О.Ю., Гнатченко С.Л., Кауль А.Р., Szymczak R., Szymczak H. Influence of light on magnetic and transport properties of thin manganite films with praseodymium // Abstracts of “20th General Conference Condensed Matter Division EPS”. - Prague (Czech Republic). – 2004. – P. 184.

14. Aleshkevych P., Baran M., Bedarev V.A., Gapon V.I., Gorbenko O.Yu., Gnatchenko S.L., Kaul A.R., Szymczak R. Insulator – metal phase transition in thin film under illumination // Abstracts of “Workshop on Anomalous Phenomena in Strongly Correlated Electron Materials”. -Wroclaw (Poland). – 2005. – P. .

АНОТАЦІЯ

Гапон В. І. Вплив світла на індуковані магнітним полем фазові переходи в оксидах марганцю і . - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.11 – магнетизм. - Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України, Харків, 2005.

Проведені експериментальні дослідження впливу світла на індуковані магнітним полем фазові переходи в оксидах марганцю і . Виявлено, що лінійно поляризоване світло може стимулювати або подавляти метамагнітний перехід в АФМ гранаті і приводити тим самим до зменшення або збільшення поля переходу, відповідно. В рамках моделі, що пов’язує зсув поля метамагнітного фазового переходу під дією опромінення, з виникненням у кристалі фотоіндукованого магнітного моменту отриманий вираз для зсуву поля метамагнітного фазового переходу. Фотоіндукований магнітний момент виявлено у гранаті експериментально. Ненульові компоненти фотоіндукованого магнітного моменту отримані в межах феноменологічного підходу, для випадків та .

Виявлено, що опромінення плівок манганіту в магнітному полі при низьких температурах стимулює перехід з АФМ діелектричного до ФМ металічного стану . Встановлено, що фотоіндукований перехід з АФМ діелектричного