Исследование фазовой диаграммы геликоидального магнетика MnSi при высоких гидростатических давлениях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Петрова, Алла Евгеньевна

• Петрова, Алла Евгеньевна
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Петрова, Алла Евгеньевна

Введение

1. Обзор литературы

1.1. MnSi - синтез, кристаллическая и магнитная структура

1.2. Некоторые электронные свойства.

1.3. Теплоемкость, сжимаемость, тепловое расширение.

1.4. Фазовая диаграмма в магнитном поле.

1.5. Физические свойства MnSi при высоких давлениях

2. Методика измерений и аппаратура

Общее описание установки.

2.1. Техника высоких давлений при низких температурах

2.1.1. Установка высокого давления.

2.1.2. Камера высокого давления.

2.1.3. Капилляр высокого давления.

2.1.4. Электроввод

2.1.5. Измерение давления, манганиновый манометр

2.2. Техника низких температур.

2.2.1. Криостат

2.2.2. Система терморегулирования.

2.3. Система сбора данных (Software) и измерительное оборудование

3. Результаты эксперимента

3.1. Исследование магнитной восприимчивости ZrZri2 при высоких давлениях.

3.2. Исследование магнитной восприимчивости MnSi при высоких давлениях.

3.3. Исследование электрического сопротивления MnSi при высоких давлениях.

3.4. Систематическое исследование термодинамических, транспортных и магнитных свойств MnSi при атмосферном давлении

3.4.1. Метод получения монокристалла MnSi и его характеристики

3.4.2. Результаты измерений монокристалла MnSi при атмосферном давлении.

3.5. Обсуждение результатов эксперимента

3.5.1. Краткая история вопроса.

3.5.2. Природа фазового перехода в MnSi.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование фазовой диаграммы геликоидального магнетика MnSi при высоких гидростатических давлениях»

Теория ферми-жидкости, развитая Л.Д. Ландау, сводит описание системы сильно взаимодействующих электронов к разбавленной системе фермионных возбуждений - квазичастиц. Эта концепция оказалась весьма плодотворной при описании множества явлений в металлах, в том числе эффектов, обусловленных электрон-электронной корреляцией (магнетизм, сверхпроводимсть). Сомнения в универсальной справедливости теории ферми-жидкости возникли в восьмидесятых годах прошлого столетия в результате открытия тяжело фермионных соединений и высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), представляющих класс сильно коррелированных электронных систем.

Исследования последних лет в области сильно коррелированных электронных систем в значительной мере концентрируются на изучении так называемых квантовых фазовых переходов или квантовых критических явлений, являющихся результатом нетепловых квантовых флуктуаций, существование которых обусловлено принципом неопределенности. В чистом виде квантовые фазовые переходы наблюдаются только при Т = О, хотя их влияние на свойства вещества может простираться и на область конечных температур. В частности предполагается, что высокотемпературная сверхпроводимость связана со спецификой поведения вещества в квантовой критической области, где наблюдаются сильные отклонения от ферми-жидкостного поведения. Именно последнее и определяет интерес к этой особой области термодинамического пространства, контролируемого температурой, давлением, электрическим и магнитным полями.

Материальными представителями веществ с квантовым критическим поведением, как правило, являются соединения, содержащие элементы с незаполненной d-оболочкой и проявляющие антиферромагнитные или, что реже, ферромагнитные свойства при низких температурах. Соответствующие температуры Кюри и Нееля обычно понижаются при сжатии, что делает давление удобным контролирующем параметром, сдвигающим фазовый переход в квантовую критическую область. На этом пути получены множество интересных результатов. Достаточно в этой связи упомянуть открытие сверхпроводимости в квантовой критической области при высоких давлениях в антиферромагнетиках Celn3 и CePcfeS^ [1] и магнетике UG&2 [2]. В последнем случае, по-видимому, имеет место экзотическое триплетное спаривание.

Это обстоятельство стимулировало интерес к исследованиям слабых зонных магнетиков ZrZri2 и MnSi при высоких давлениях. Соответствующие эксперименты, хотя и не обнаружили сверхпроводимости, привели к ряду весьма интересных результатов (трикритическая точка, неферми-жидкостное поведение). Более того, в итоге указанных исследований возникло убеждение, что фазовый переход в зонных ферромагнетиках и геликомагнетиках при низких температурах генетически является фазовым переходом первого рода, что фактически исключает существование сколько нибудь обширной квантовой критической области.

Однако общепринятая техника высоких давлений при низких температурах (бомба с фиксированным давлением, в которой давление передается субстанциями, при нормальных условиях являющимися жидкостями, затвердевающими при относительно высоких температурах) не обеспечивает истинной гидростатичности эксперимента. Возникающие в среде, передающей давление, неоднородные напряжения могут привести к некорректным результатам, что ставит под вопрос справедливость выполненных наблюдений и следующих из них выводов. Таким образом, проблему фазовых переходов в зонных ферромагнетиках при низких температурах нельзя считать решенной.

Все изложенное выше определило актуальность настоящей работы, целью которой явилось исследование физических свойств слабого зонного геликоидального магнетика MnSi при атмосферном и высоком давлениях.

Соответственно, в настоящей диссертации излагаются результаты исследования термодинамических и транспортных свойств геликоидального зонного магнетика MnSi при атмосферном и высоком гидростатическом давлении до ~ 1.1 ГПа и температурах 1.7-77 К с особым вниманием к области фазового перехода. Гидростатические условия эксперимента при низких температурах обеспечивались при использовании сжатого гелия, как среды передающей давление.

В результате проведенных исследований получены экспериментальные доказательства, позволяющие классифицировать фазовый магнитный переход в MnSi как слабый фазовый переход первого рода. Экспериментальные данные указывают также на изменение характера фазового перехода в MnSi при давлении 0.35 ГПа, что, по-видимому, означает существование трикритической точки на линии фазового перехода и возможную реализацию истинного квантового критического поведения при

Т-> 0.

Выбор MnSi в качестве объекта исследований обусловлен в первую очередь его уникальными физическими свойствами, и, что немаловажно, доступностью монокристаллов высокого качества.

Для проведения исследований было разработан и создан экспериментальный комплекс, позволяющий проводить измерения физических свойств материалов в диапазоне температур < 2—300 К и давлений до ~ 1.1 ГПа (при низких температурах).

Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Петрова, Алла Евгеньевна

Основные результаты и выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1) Создан автоматизированный комплекс для проведения измерений физических свойств материалов в широком диапазоне температур 1.8 — 300 К и давлений (до ~ 1.5 ГПа). Отличительная особенность комплекса состоит в использование гелия в качестве среды, передающей давление.

2) Разработан способ введения многоканальных электрических вводов в камеру высокого давления, работающую при низких температурах в среде сжатого гелия. Для изоляции и уплотнения электровводов используется комбинированная среда (эпоксидная смола - эпоксидная смола + порошок индия).

3) Сконструирован криостат, предназначенный для охлаждения исследовательской камеры высокого давления, связанной с генератором давления тонким капилляром из нержавеющей стали.

4) Проведены измерения магнитной восприимчивости монокристалла MnSi в области ферромагнитного фазового перехода при давлениях до 0.8 ГПа в среде сжатого гелия. Обнаружено, что форма функции х{Т) в точке перехода радикально меняется при Р « 0.355 ГПа,

Т ~ 25.2 К. Характер поведения х(Т) позволяет предполагать существование трикритической точки на кривой фазового перехода с вышеуказанными координатами, что существенно корректирует ранее опубликованные данные.

5) Исследовано поведение электрического сопротивления монокристалла MnSi в области магнитного фазового перехода при температурах от 2 до 100 К и давлениях до > 1.1 ГПа. Температурная производная электрического сопротивления имеет вид острого максимума на линии фазового перехода. Обнаружена дублетная структура на кривой dp/dT в окрестности фазового перехода. Симптоматично, что эта структура исчезает при давлении ~ 0.35 ГПа, соответствующем координате трикритической точки.

6) Проведены измерения магнитной восприимчивости, электрического сопротивления, линейного коэффициента теплового расширения и теплоемкости монокристалла MnSi при атмосферном давлении и низких температурах. Резкие пики, обнаруживаемые соответствующими величинами в точке фазового перехода, дают основание для их отождествления со слегка размытыми дельта-функциями, что отражается в практически скачкообразном поведении теплового расширения, энтропии и электрического сопротивления. Все это позволяет идентифицировать фазовый переход в MnSi при атмосферном давлении, как слабый переход первого рода.

7) Показано, что теплоемкость и коэффициент теплового расширения геликоидальной фазы MnSi в окрестности точки Кюри практически не реагируют на магнитное поле вплоть до 0.4 Т, что означает определенную жесткость геликоидальной магнитной структуры и, следовательно, конечное значение параметра порядка в точке фазового перехода.

8) На основание экспериментальных данных получены следующие параметры фазового перехода в MnSi при атмосферном давлении: AV/Vo ~ 3 х 10"6, AS/R - 5 х 10"4, dT/dP = 1.1 х 10"3 К/бар-наклон линии фазового перехода, ожидаемый термодинамический гистерезис о w 5 х 10 3 К. Удивительно низкие значения скачков объема и энтропии дают количественную характеристику понятию слабого фазового перехода первого рода. Полное приращение магнитной энтропии от 0 до 30 К, составляет всего лишь величину порядка 5 х Ю-2 R, что еще раз подтверждает зонную природу магнетизма в MnSi.

9) Установлено почти совершенное подобие в поведении теплоемкости, коэффициента теплового расширения и температурного коэффициента электрического сопротивления в окрестности фазового перехода в MnSi, что со всей очевидностью указывает на спиновые флуктуации как основной фактор, определяющий поведение термодинамических и кинетических свойств MnSi в точке Кюри. Подчеркнем, что отмеченное подобие касается также и области пологого максимума (плеча) пока еще неизвестной природы, расположенного чуть выше основного пика. Вместе с тем общий характер аномалии приведенной зависимости (Ср, а, (dp/dT)) в окрестности фазового перехода создает впечатление, что спиновая подсистема в MnSi при охлаждении попадает в конфигурационную ловушку, ведущую, возможно, к фрустрированному основному состоянию. Однако, как оказывается, на этом пути возникает неустойчивость, разрешаемая в результате фазового перехода первого рода и установления геликоидальной магнитной структуры.

10) В итоге, согласно нашим исследованиям, фазовая диаграмм MnSi выглядит, как это схематически изображено на рис. 3.25. Обратим внимание, что веер "фрустрираванной фазы" возможно простирается вплоть до самых низких температур, объясняя тем самым природу неферм и-жидкостного поведения электрического сопротивления MnSi при низких температурах и высоких давлениях. о ю рс 20 давление (кбар)

30

Рис. 3.25. Возможный вид фазовой диаграммы MnSi при высоких давлениях

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Петрова, Алла Евгеньевна, 2007 год

1. N. D. Mathur, F. M. Grosche, S. R. Julian, 1. R. Walker, D. M. Freye,R. K. W. Haselwimmer, G. G. Lonzarich, Nature 394, 39 (1998)

2. S. S. Saxena, P. Agarwal, K. Ahilan, F. M. Grosche, R. K. W. Haselwimmer, M. J. Steiner, E. Pugh, I. R. Walker, S. R. Julian, P.Monthoux, G. G. Lonzarich, A. Huxley, I. Sheikin, D. Braithwaite, J.Flouquet Nature 406, 587 (2000)

3. Per Bak and M. H0gh Jensen, J. Phys G: Solid St. Phys. 13, L 881 (1980)

4. G.A. Вразовский, И.Е. Дзялошинский, В.Г. Кухаренко, ЖЭТФ 43, 1178 (1976)

5. И.Е. Дзялошинский, ЖЭТФ 45, 1014 (1977)

6. Н.Т. Diep, Phys.Rev. В 39, 397 (1989)

7. M.L. Plumer and А. Mailhot, Phys.Rev. В 50, 16113 (1994)

8. А.И. Зайцев, М.А. Земченко, В.М. Могутнов, Журнал физической химии LXIII 6, 1451 (1989)

9. S. Okada, Т. Shishido, Y. Ishizawa, М. Ogawa, К. Kudou, Т. Fukuda, Т. Lundstrom, J.Alloys and Gompounds 317-318, 315 (2001)12110. в. Boren, Ark. Kemi Min. Geol. 11 A 10, 1 (1933)

10. L. Pauling, A.M. Soldate, Acta Crisstallog. 1, 212 (1948)

11. D. van der Marel, A. Damascelli, K. Schulte, A.A. Menovsky, Physica В 244, 138-147 (1998)

12. J.E. Jorgensen, S. Rasmussen, Powder Diffraction 6, 194 (1991)

13. H.J. Williams, J.H. Wernick, R.C. Sherwood, G.K. Wertheim, Journal of Applied Physics 37, 1256 (1966)

14. J. H. Wernick, G. K. Wertheim and R. G. Sherwood, Materials Research Bulletin 7 12,1431 (1972)

15. T. Sakakibara, H. Mollymoto, M. Date, Journal of the Physical Society of Japan 51, 2439 (1982)

16. Y. Ishibwa, K. Tajima, D. Bloch, M. Roth, Solid State Gommunications 19 6, 525 (1976)

17. I. Dzyaloshinski, J.Phys.Ghem.Solids 4, 241 (1958)

18. T. Moria, Phys. Rev. 120, 91 (1960)

19. S. Waki, Y. Nishihara, S. Ogawa, J. Magn. Magn. Mat. 31-34, 275 (1983)

20. A. I. Schindler, D. G. Michael J. Rice Phys. Rev. 164, 759 - 764 (1967)

21. F.P. Mena, D. van der Marel, A. Damascelli, M. Fath, A.A. Menovsky, J.A. Mydosh, Phys. Rev. В 67, 241101 (2003)

22. Т.Мория, "GnHHOBbie флуктуации в магнетиках с коллективизиро- ванными электронами". Издательство "Мир", Москва (1988)122

23. J. Sakurai, Y. Yamamoto, Y. Komura, Journal of the Physical Society of Japan, 57, 24 (1988)

24. Ф. A. Сидоренко, E. A. Дмитриев, П, В. Гельд, Известия вузов (Физика) 8, 15 (1972)

25. N. Manyala, Y. Sidis, J.F. Ditusa, G. Aeppli, D. P.Young, Z. Fisk, Nature materials 3, 255 (2004)

26. Minhyea Lee, Y. Onose, Y. Tokura, N. P. Ong, Phys. Rev. В 75,172403 (2007)

27. L. Taillefer, G.G. Lonzarich, P. Strange, J. Magn. Magn. Mat. 54-57, 957 (1986)

28. E. Fawcett, J.P. Maita, H.J. Wernick, International Journal of Magnetism, 1, 29 (1970)

29. C. Pfleiderer, J. Magn. Magn. Mat. 226-230, 23 (2001)

30. M. Matsunaga, Y. Ishikawa, T. Nakajima, Journal of the Physical Society of Japan, 51,1153 1982

31. Г.П. Зиновьева, Л.П. Андреева, З.А. Истомина, П.В. Гельд, Физика твердого тела 19, 1164 (1977)

32. S. Kusaka, К. Yamamoto, Т. Komatsubara, Y. Ishikawa, Solid State Communications 20, 925 (1976)

33. G.R Zinoveva, L.P. Andreeva, P.V. Geld, Physica Status Solidi A 23, 711 (1974)

34. Y. Ishikawa, K. Tajima, D. Bloch, M. Roth, Solid State Communications, 19, 525 (1976)123

35. S.V. Grigoriev, S.V. Maleyev, A.I. Okorokov, Y.O. Chetverikov, H. Eckerlebe, Physical Review B, 73, 224440 (Jun 2006)

36. M. Date, K. Okuda, K. Kadowaki, Journal of the Physical Society of Japan 42, 1555 (1977)

37. P. Harris, B. Lebech, H.S. Shim, K. Mortensen, J.S. Pedersen, Physica В 213-214, 375 (1995)

38. A.I. Okorokov, S.V. Grigoriev, Y.O. Ghetverikov, S.V. Maleyev, R. Georgii, P. Boni, D. Lamago, H. Eckerlebe, K. Pranzas, Physica В356, 259 (2005)

39. J.D. Thompson, Z. Fisk, G.G. Lonzarich, Physica В 161, 317 (1989)

40. G. Thessieu, J. Flouquet, G. Lapertot, A.N. Stepanov, D. Jaccard, Solid State Gommunications 95, 707 (1995)

41. G. Pfleiderer, G.J. McMullan, S.R. Julian, G.G. Lonzarich, Physical Review В 55, 8330 (1997)

42. W. Yu, F. Zamborszky, J.D. Thompson, J.L. Sarrao, M.E. Torelh, Z. Fisk, S.E. Brown, Phys. Rev. Lett. 92, 086403 (2004)

43. G. Pfleiderer, D. Reznik, L. Pintschovius, H. von Lohneysen, M. Garst, A. Rosch, Nature 427, 227 (2004)124

44. N. Doiron-Leyraud, I.R. Walker, L. Taillefer, M.J. Steiner, S.R. Julian, G.G. Lonzarich, Nature 425, 595 (2003)

45. G. Pfleiderer, P. Boni, T. Keller, U. K. RoBler, A. Rosch, Science 316, 1871 (2007)

46. J.E. Schirber, Gryogenics 10, 418 (1970)

47. D. W. J. Langer, J. Phys.Ghem. Solids 21, 122 (1961)

48. W.S. Goree, T.A. Scott, J. Phys. Ghem. Solids 27, 835 (1966)

49. Advances in high pressure research 2, edited by R.S. Bradly, Academic press inc., 104-107 (1969)

50. CM. GramoB, А.Ф. Уваров, ПТЭ 4, 191 (1975)

51. G.M. GramoB, А.Ф. Уваров, ПТЭ 1, 218 (1971)

52. G.M. GramoB. A.E. Петрова, ПТЭ 5, 149 (2003)

53. W.S. Goree, B. McDowell, T.A. Scott, Rev. Sci. Instrum., 36,99, (1965)

54. Duk Yoon, Rev. Sci. Instrum. 37, 1611 (1966)

55. R. H. Martinson, R. E. Terry, Rev. Sci. Instrum. 38, 1330 (1967)

56. J. E. Schirber, D. W. Shanfeldt, Rev. Sci. Instrum. 39, 270 (1968)

57. J. L. Downs and R. T. Payne, Rev. Sci. Instrum. 40, 1278 (1969)

58. Domingo K. L. Tan, Rev. Sci. Instrum. 41, 142 (1970)

59. B. E. Hammons, Rev. Sci. Instrum. 42, 1889 (1971)

60. Robert E. Terry, Arthur L. Ruoff, Rev. Sci. Instrum. 43, 1379 (1972) 125

61. B.A. Сухопаров, A.C. Телепнев, ПТЭ 5, 204 (1981)

62. Michel le Maire, Rev. Sci. Instrum. 66, 3998 (1995)

63. Макаренко И.Н., ПТЭ 4, 143-146 (1996)

64. F.Lazarre, J. Phys. Radium 14, 213 (1953)

65. A.E. Петрова и СМ. Стишов, ПТЭ 4, 150 (2006)

66. А. Driessen, Е. van der Poll, I.F. Silvera, Phys.Rev. В 33, 3269 (1986)

67. R.K. Crawford, W. B. Daniels, J. Chem. Phys. 55, 5651 (1971)

68. E.R. Grilly, R.L. Mills, Ann. Phys. (N.Y.) 8, 1 (1959)

69. C.A. Swensen, Phys. Rev. 89, 538 (1953)

70. R.L. Mills, E.R. Grilly, Phys. Rev. 99, 480, (1955)

71. NIST, Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties— REFPROP, Version 7.0 (2002)

72. Low level measurements handbook, 6th edition, Keithly instruments. Inc., 3-20 (2004)

73. C. Pfleiderer, M. Uhlarz, S.M. Hayden, R. VoUmer, H. v. Lohneysen, N. R. Bernhoeftл>, G. G. Lonzarich, Nature 412, 58 (2001)

74. E. A. Yelland, S. M. Hayden, S. J. C. Yates, G. Pfleiderer, M. Uhlarz, R. Vollmer, H. v. Lohneysen, N. R. Bernhoeft, R. P. Smith, S. S. Saxena,N. Kimura, Phys. Rev.B 72, 214523 (2005)

75. B. T. Matthias and R. M. Bozorth, Phys. Rev. 109, 604 (1958)

76. Г. Шульце, "Металлофизика", "Мир", Москва, 443 (1971) 126

77. L.G. Khvostantsev, L.F. Vereshchagin, A.P. Novikov, High Temp.-High Press. 7, 637 (1977)

78. C. Pfleiderer, G.J. McMullan, G.G. Lonzarich, Physica В 206-207, 847 (1995)

79. G. Thessieu, Y. Kitaoka, K. Asayama, Physica В 259-261, 847 (1999)

80. В.М.Набутовский, А.З. Паташингский, ФТТ 10, 3121 (1968)

81. М.Е. Fisher and J.S. Langer, Phys.Rev.Lett. 20, 665 (1968)

82. T.G. Richard and D.J.W. Geldart, Phys.Rev.Lett. 30, 290 (1973)

83. A.E. Petrova, V.Krasnorussky, John Sarrao, S.M. Stishov, Phys.Rev.B 73, 0524091 (2006)

84. A.E. Petrova, E.D. Bauer, V. Krasnorussky, and S.M. Stishov, Phys. Rev.B 74, 092401 (2006)

85. Materials Preparation Genter, Ames Laboratory, US-DOE, Ames, IA, USA

86. Физическая акустика 3 (Б), Издательство "Мир" Москва, 24 (1968)

87. Ч. Киттель, Введение в физику твердого тела. Издательство "На- ука" Москва, (1978)127

88. Н. Ашкрофт, Н. Мермин, Физика твердого тела, Издательство "Мир" Москва, том 1 (1979)92. частное сообщение Садыкова

89. М. Yamada, Т. Goto, Т. Kanomata, Journal of Alloys and Compounds 364, 37-47 (2004)

90. T. Vojta, R. Sknepnek, Phys.Rev. В 64, 052404 (2001) 128