Hyperfine interactions and magnetic properties of La 0.67 Ca 0.33 Mn 1-x 57 Fe x O 3 with x=0.1 and 0.15 J. Przewoźnik 1, J. śukrowski 1, K. Krop 2, Cz. Kapusta 1 1 Katedra Fizyki Ciała Stałego, Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków 1 Katedra Fizyki, Politechnika Rzeszowska, Al. Powstańców Warszawy 6, Rzeszów
Wprowadzenie w temat złoŝonych właściwości La 1-x Ca x MnO 3 (struktura, diagram fazowy, zjawisko CMR, wpływ podstawienia Fe) Wyniki pomiarów: Plan a) strukturalnych RTG, b) magnetycznych (M, χ AC ), c) oporu (R) i magnetooporu (MR) Wyniki pomiarów mössbauerowskich Podsumowanie
Struktura krystalograficzna La 0.67 Ca 0.33 Mn 1-x Fe x O 3 La 3+ lub Ca 2+ O 2- Mn 3+/4+ lub Fe 3+ Stechiometryczne związki - struktura typu perowskitu z dystorsją rombową (grupa Pnma )
Oddziaływania wymienne w La 1-x Ca x MnO 3 A O 2- A Nadwymiana (SE, A = Mn 3+ lub Mn 4+ ) Zwykle prowadzi do AF Manganity La 1-x Ca x MnO 3 : współistnienie Mn 4+ (3 elektrony 3d 3, S=3/2) i Mn 3+ (4 elektrony 3d 4, S=2, zlokalizowany spin 3/2 plus 1 elektron w paśmie e g ) Mn 3+ Mn 4+ Mn 3+ Mn 4+ Podwójna wymiana (DE) pomiędzy Mn 3+ i Mn 4+ Ferro: przeskok moŝliwy AF: przeskok niemoŝliwy eff t ij = t 0 θij cos 2
Zjawisko Jahna-Tellera (J-T) Mn 3+ Symetria kubiczna Na przykładzie Mn 3+ (4 elektrony 3d 4, S=2) dystorsja tetragonalna J-T: statyczny, dynamiczny, kolektywny Poziom elektronu e g w symetrycznym oktaedrze jest dwukrotnie zdegenerowany jon Mn 3+ powoduje dystorsję oktaedru tlenowego Lokalizacja i uporządkowanie ładunków i orbitali
Diagram fazowy La 1-x Ca x MnO 3 Millis et al., Nature 392 (1998) 137. CO- charge-ordered AF- antiferromagnet CAF- canted antiferromagnet FM- ferromagnetic metal FI- ferromagnetic insulator Ramirez et al., J. Phys.: Condens. Matter 9 (1997) 8171. MR H = ( R( 0) R( H ) / R(0) )
Wpływ podstawienia Fe Fe 3+ zastępuje Mn 3+ (podobne promienie jonowe). La 0.63 Ca 0.37 Mn 1-y Fe y O 3 Konfiguracja elektronowa Fe 3+ : t 2g 3 e g 2 (stan wysokospinowy S = 5/2). Pasmo Fe e g jest zupełnie wypełnione i hopping z Mn 3+ do Fe 3+ nie zachodzi. Spin Fe 3+ jest sprzęŝony antyferromagnetycznie do spinów Mn 3+ / Mn 4+. Ahn et al., Phys. Rev. B 54 (1996) 15299.
Pomiary NMR i mössbauerowskie na La 0.67 Ca 0.33 Mn 0.97 57 Fe 0.03 O 3 η = ( J Fe Mn )/J Mn Mn B B max Fe max Fe ( T ) = B (0) S Fe S Fe gµ BB k T B Mn ( T ) = B S Fe 3S Fe ( SMn + 1) J J Fe Mn Mn Mn TC * B T B Mn Mn ( T ), (0) S Fe = 5/2, S Mn = 1.83
Preparatyka i charakterystyka La 0.67 Ca 0.33 Mn 1-x 57 Fe x O 3 Polikrystaliczne związki La 0.67 Ca 0.33 Mn 1-x 57 Fe x O 3 (x = 0.1 i 0.15) przygotowano metodą zol-ŝel i wygrzewano w powietrzu w 1300ºC przez 15 godz.
Właściwości magnetyczne La 0.67 Ca 0.33 Mn 0.9 57 Fe 0.1 O 3 (PPMS VSM) Pomiar M magnetometr wibracyjny T C =100.3 K
Właściwości magnetyczne La 0.67 Ca 0.33 Mn 0.85 57 Fe 0.15 O 3 (PPMS VSM) Pomiar M magnetometr wibracyjny T C =62.4 K, T m =49.3 K
Właściwości magnetyczne La 0.67 Ca 0.33 Mn 0.85 57 Fe 0.15 O 3 (PPMS VSM)
Właściwości magnetyczne La 0.67 Ca 0.33 Mn 1-x 57 Fe x O 3 (PPMS AC)
Właściwości magnetyczne La 0.67 Ca 0.33 Mn 1-x 57 Fe x O 3 (PPMS AC)
Właściwości transportowe La 0.67 Ca 0.33 Mn 1-x 57 Fe x O 3 (PPMS) R=R exp(t 0 /T) γ
Właściwości transportowe La 0.67 Ca 0.33 Mn 1-x 57 Fe x O 3 100 MR( H ) = [ R(0) R( H )] R( H )
Pomiary mössbauerowskie ( 57 Fe), I Konwencjonalne pomiary mössbauerowskie w geometrii transmisyjnej
Pomiary mössbauerowskie ( 57 Fe), II ZaleŜności temperaturowe P(B hf )
Pomiary mössbauerowskie ( 57 Fe), III ZaleŜności temperaturowe parametrów <B hf > i IS
Podsumowanie Wyniki pomiarów magnetycznych wykazały, Ŝe związek x=0.15 zachowuje się jak typowy spin-glass: nieodwracalności typu spin-glass były widoczne w krzywych namagnesowania ZFC i FC w polach 100 Oe, 1kOe i 10 koe (maleją ze wzrostem pola) dla x=0.1 i x=0.15, pomiary podatności AC wykazały jednak występowanie zachowania typu spin-glass tylko dla x=0.15 z T SG 53 K i przesunięciem na dekadę T SG /[T SG (logf)]) =0.009, oczekiwanym dla typowych spin-glass. Pomiary mössbauerowskie teŝ wskazują na róŝny charakter magnetyzmu w związkach x = 0.1 (FM izolator) i x = 0.15 (SG izolator), róŝna zaleŝności <B hf > od temperatury dla x=0.1 (liniowa) i x=0.15 (bardziej normalna), mniejszy rozkład P(B hf ) dla x=0.15 w niskich temperaturach, nieco inna zaleŝność IS od temperatury. Związek x=0.1 wykazuje w polu 8 T wyraźnie większe efekty CMR niŝ x=0.15.
Podziękowania G. Gritzner Institut für Chemische Technologie Anorganischer Stoffe, Johannes Kepler Universität Linz, A-4040 Linz, Austria
PPMS (Physical Property Measurement System) - Zestaw do kompleksowych badań właściwości fizycznych materiałów (I)
PPMS EverCool Ultra Low-Loss Dewar (II) Coldhead controlled by remote compressor High-T c Magnet Leads First Stage cools the shield to 40 K PPMS Probe Second stage cools the condenser to 4 K Condenser unit liquefies the helium gas Liquid helium drips back into the helium reservoir of the dewar
PPMS (III)
PPMS Puck (IV)
PPMS ma moŝliwość pomiaru następujących wielkości fizycznych: (V) Namagnesowania metodą wibrującej próbki (+ piec) (Vibrating Sample Magnetometer System (VSM) + VSM 1100K Oven Assembly) Pojemności cieplnej (Heat Capacity Measurement System (HC)) Podatności zmiennoprądowej + namagnesowania metodą stałoprądową (AC Susceptibility and DC Magnetization Measurement Option (ACMS)) Przewodnictwa elektrycznego metodą zmiennoprądową i stałoprądową (magnetooporu do 9 T), efektu Halla (PPMS AC Transport Property Measurement System (ACT) Horizontal Sample Rotator with computer controlled stepper motor)
PPMS c.d. ma moŝliwość pomiaru następujących wielkości fizycznych: Przewodnictwa cieplnego, termosiły (Thermal Transport Option (TTO) for PPMS Measures: Thermal Conductivity, Thermopower (Seebeck Coefficient)) Anizotropii magnetycznej metodą torsyjną (Torque Magnetometer for small anisotropic samples) MoŜliwość rozbudowy i pomiaru dodatkowej wielkości fizycznej (Multi-Function Probe with special sample stage and calibrated thermometer) (VI)
Zmiany w strukturze lokalnej La 1-x Ca x MnO 3 (I) Dyfrakcja neutronów P. Dai at al., Solid State Commun., 100 (1996) 865
Zmiany w strukturze lokalnej La 1-x Ca x MnO 3 (II) EXAFS ( R( T ) R( ) ) 2 2 σ ( T ) = T LaMnO 3 FM 50% PM 1.968 Å 1.907 Å 2.178 Å CaMnO 3 1.895 Å 1.900 Å 1.903 Å C.H. Booth at al., Phys. Rev. Lett. 80 (1998) 853