Zastosowanie techniki μsr w badaniach własności magnetyków molekularnych. Piotr M. Zieliński NZ35 IFJ PAN

Transkrypt

1 Zastosowanie techniki μsr w badaniach własności magnetyków molekularnych. Piotr M. Zieliński NZ35 IFJ PAN

2 1. Fundamenty spektroskopii mionów. Typowy eksperyment 3. Zjawiska krytyczne i SR 4. Przykłady otrzymanych wyników 5. Podsumowanie

3 1933 Historia mionów Paul Kunze Z. Phys., 83 (1933) 1,,cząstka o nieznanej naturze , Seth Neddermeyer Cèsar Lattes, Giuseppe Occhialini, Cecil F. Powell mesotron m 40 m e meson miu Yukawy? (100 MeV) Carl Anderson Nature, 160 (1947), 486, Observations on the tracks of slow mesons in photographic emulsions Brown et al., Nature, 163 (1949), 47, Observations with electron-sensitive plates exposed to cosmic radiation e Physical Review, 104 (1956), 54, Question of parity conservation in weak interactions Physical Review, 105(1957), 1671, Parity nonconservation and a two-component theory of the neutrino Tsung-Dao Lee, Chen-Ning Yang

4 Własności mionów

5 Źródła mionów Promieniowanie kosmiczne Pierwotne P.K. P (~90%), He(~9%), e GeV Akceleratory protonów 100A, 500 MeV p+p π + + p +n p+n π + + n +n Wtórne P.K., κ, Λ, Search for hidden chambers in the pyramids przy powierzchni (~70%) e - (30%) 4 GeV, 1/cm/min [...] Inner structure, [...] volcanic eruption prediction, [ ] magma dynamics 4,19 MeV Alvarez, Science, 167 (1970) 83. Tanaka, Nature Comm., 5 (014), 3381 Nagamine, (1995), DOI: / (94)

6 Rozpad mionów μ + e + + ν e + νμ μ e + νe+ν μ W θ 1 ± a as ε cos θ N e E e 1 ± a as E e cos θ a as E e = E e max E e / 3E e max E e E max e = m μ c = 5,83 MeV

7 It seems possible that polarized positive and negative muons will become a powerful tool for exploring magnetic fields in nuclei [...], atoms, and interatomic regions. (Garwin et al., Phys. Rev. 1957) μsr muon Spin Rotation, Relaxation, Możliwości Struktura, dynamika materii skondensowanej 10 mk do 1000 K ~ 1,5 Gpa 8 T 1 h Ograniczenia Rozmiar / Masa próbki 6,5 mm, 0.07 mm Najczęściej: 180 mg /cm wiązki Grubość: > 1mm ( mat. organiczne ρ ~ 1g/cm 3 ) μm ( metale przejściowe) Resonace (ALC, RF-μSR, techniki stroboskopowe).

8 Schemat ω μ = γ μ B loc B loc = B ext + B 0 γ μ = ge = π 135,5 MHz m μ T N F,B t = N 0 exp t/τ μ 1 ± a 0 P t α = x, y, z A t = a 0 P t = N F t N B t N F t + N B t a 0 ~0.5

9 Geometria

10 Analiza B loc = B ext + B 0 B 0 = B dip + B Lor + B dem + B hyp P α t = f B loc sin θ + cos θ cos γ μ B loc t db loc P iμ,i p t = S μ t S μ 0 u p i μ = S μ 0 S μ 0 Próbka jednodomenowa, monokrystaliczna f B loc = δ t P Z t = cos θ + sin θ cos ω μ t X ω μ = γ μ B loc = πν μ B Y loc + B Z loc + B 1/ loc Próbka polikrystaliczna, B ext =0, faza uporządkowana magnetycznie P Z t = cos ω μ t P Z t = A Z + A osc cos ω μ t μ μ = γ μ ħs μ A Z b = b + b 1 8b 3 log b + 1 b 1 A osc b = 1 A Z b

11 Teoria zjawisk krytycznych f τ τ k τ 0 Model magnetyka molekularnego τ = T T kr T kr k = lim τ 0 logf τ logτ H = J ij,x S i,x S j,x + J ij,y S i,y S j,y + J ij,z S i,z S j,z i<j S i,k (k = x, y, z) Liczba niezerowych składowych spinu określa wymiar n parametru porządku

12 Z pomiarów μsr bezpośrednio: ZF TF LF B T = B 0 1 T T kr σ β f f 0 f 0 ~x(t)~ T T C 1 γ τ~ T T C 1 w lim M τβ τ 0 lim χ 0 τ γ τ 0 λ Z τ w Pozostałe wykładniki krytyczne z relacji skalowania, np. : α = β γ ν = α d ν

13 (FeNb) O} 4H ] (CN) [Nb ] (pirazol) {[Fe 6. (Cu3W) } ] (CN) [W (pirazyna) {Cu 5. (Cu3M o3) O} 4H ] (CN) [Mo )Cu {(dienh 4. (M nnb) O} H ] (CN) ][Nb O) (H ][Mn O) a)(h (pirydazyn {[Mn 3. Cu7W4) O 4H } ] (CN) [W ] (CN) [W Cu {Cu. (Cu4W4) O} 7H ] (CN) [W Cu {(tetrenh ) 1. n 8 IV 4 II 8 V II V II 3 3 n 8 IV II II x 8 IV 4-x 8 V II 4 II x n 4 8 V II n [M'(L)] Badane związki 3/4 [M(CN) 8 ] Substancje

14 a a b Substancje a b c c b Cu4W4 Cmc 1 b a W V (S=1/) Cu II (S=1/) ortorombowa a = 7.379(6) Å b = 3.096() Å c = (6) Å Cu7W4 I4/mmm W V (S=1/) Cu II (S=1/) Tetragonalna a = 7.858(9) Å b = 7.858(9) Å c = 8.8(5) Å MnNb P 1 /c b a Mn V (S=5/) Nb IV (S=1/) Jednoskośna a = (1) Å b = () Å c = () Å β = (1) c a Cu3Mo3 Cmc 1 Mo V (S=1/) Cu II (S=1/) Ortorombowa a = 7.340(15) Å b = (5) Å c = (15) Å Cu3W W V (S=1/) Cu II (S=1/) FeNb I4 1 /a Fe II (S=) Nb IV (S=1/) Tetragonalna a=b = 1.659(5) Å c = 9.618(5) Å

15 b a II V {(tetrenh 5) 0.8Cu 4[W (CN) 8] 4 7HO} n ~ 5.4 Å ortorombowa a = 7.379(6) Å b = 3.096() Å c = (6) Å ~ 10 Å ISIS-RAL MuSR, m 1 g; polikrystaliczna ZF K LF 0-00 G W V (S=1/) Cu II (S=1/)

16 Cu4W4 ZF ω λ1t t A cos ω te A cos ω t A e i γ μ B λ t T C = 33.16(1) K β = 0.37(1) B i T B i 0 1 T T C λt a rele T TC λt KT a rele PZ Δ,B, t T TC A t A t Δ λ 1 γ B τ μ τ LF β = 0.31 DXY

17 Cu4W4 LF Obserwacja reorientacji spinów pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego T = 14 K, B LF (0, 00) G a st B LF = A 1 A osc B LF B 1 + A A osc B LF B a = a osc a st Pierwsza obserwacja przejścia metamagnetycznego metodą SR

18 II {[Mn (pirydazyn a)(h O) ][Mn II (H O) ][Nb IV (CN) ] H O} 8 n Nb 4 CN8 H O O Mn pydz Mn H Mn V (S=5/) Nb IV (S=1/) ISIS-RAL ARGUS, m 0.8 g; polikrystaliczna ZF LF G TF 0 G T 4,5-100 K SμS-PSI GPS, ZF K

19 MnNb LF, ZF (ISIS, PSI) ZF T<Tc B 0 (5K)=1196 G B 0 (41,5K)=55 G A Z b = b + b 1 8b 3 log b + 1 b 1 A osc b = 1 A Z b, b = B ext B 0 β B i t = B i 0 1 T T C T C = 4.08(3) K β = 0.38(1)

20 MnNb ZF, TF (ISIS, PSI) TF T>TC f f 0 f 0 ~x(t)~ T T C 1 f 0 = γ μ B 0 π ; B ind ~χb 0 B loc = B 0 + B ind γ γ = 1.38(5) ZF T>Tc τ~ T T C 1 w w = 1.117(8) R Pełka et al., Phys.Rev. B 85 (01) 447

21 Cu3Mo3 ZF (ISIS) ZF T<Tc T C = 7.5(1) K Β 0 = 16.1() β = 0.8(1) β A t = A 1 cos ωt + φ e λt B i t = B i 0 1 T T C ZF T>Tc A t = A rel e λ 3t

22 Cu3W ZF, TF (ISIS) ZF T<Tc T C = 40.76(4) K Β 0 = 36.0 (5)G β = 0.38(1) TF T>TC A t = A 1 cos ωt + φ e λt f f 0 f 0 ~x(t)~ T T C 1 γ f 0 = γ μ B 0 π ; B ind ~χb 0 B loc = B 0 + B ind

23 FeNb ZF T<T C A t = A 1 rel 3 exp λ 1t + 3 exp λ t cos γ μ Bt + φ T C = 7.81(7) K Β 0 = 313(11) β = 0.43(1)

24 T>T C A t = A rel exp λ 3 t λ 3 ~ B loc τ τ~ T T C w Poniżej T C istnieje faza o ferrimagnetycznym, dalekozasięgowym uporządkowaniu spinów

25 Substancja T C B 0 (K) (G) β γ w Model Cu4W D XY BKT Cu7W D HSB 399 MnNb D HSB 31 Cu3Mo D Chiral/NK 3D Cu3W HSB/D NK/MF? FeNb D HSB AF

26 1. Wykonano 8 eksperymentów mionowych przy źródłach (ISIS, SS), łącząc pomiary ZF, LF, TF, dla 6 magnetyków molekularnych.. Wyznaczono temperatury krytyczne 3. Zbadano temperaturowe zależności wewnętrznych pól magnetycznych. 4. Wyznaczono wartości parametrów krytycznych β, γ, w 5. Cu4W4 potwierdzenie przejścia BKT (D XY) oraz pierwsza obserwacja przejścia metamagnetycznego metodą SR

27 T. Wasiutyński, R. Pełka, M. Czapla, P. Konieczny, M. Bałanda, M. Fitta NZ34, IFJ PAN B. Sieklucka, R. Podgajny, D. Pinkowicz Uniwersytet Jagielloński F.L. Pratt, A. Hillier ISIS, Rutherford Appleton Laboratory A. Amato, SμS, Paul Scherrer Institute A. Inaba, Y. Miyazaki Research Center for Structural Thermodynamics, Osaka University

28 19/19