WPLYW CISNIENIA NA MAGNETYCZNE WLASCIWOSCI MANGANIT

1
WPLYW CISNIENIA NA MAGNETYCZNE WLASCIWOSCI
MANGANITÓW W POBLIZU PROGU PERKOLACJI

• A. Wisniewskia, R. Puzniaka, V. Markovichb, I.
  Fitaa,c, Ya.M. Mukovskiid
• aInstitute of Physics, Polish Academy of
  Sciences, Warsaw, PolandbDepartment of Physics,
  Ben-Gurion University of the Negev, Beer-Sheva,
  IsraelcDonetsk Institute for Physics and
  Technology, NAS, Donetsk, UkrainedMoscow State
  Institute of Steel and Alloys, Moscow, Russia

2
Plan wykladu
WPLYW CISNIENIA NA MAGNETYCZNE WLASCIWOSCI .

• Magnetyczny diagram fazowy La1-xCaxMnO3 i
  Pr1-xSrxMnO3.
• Wplyw cisnienia na wlasciwosci magnetyczne i
  transportowe (TC, TMI).
• Wplyw cisnienia w poblizu progu perkolacji xC
  (niektóre prace teoretyczne przewidywaly, ze
  wspólczynnik cisnieniowy dTC/dP maleje ze
  wzrostem domieszkowania).
• Wplyw domieszkowania i cisnienia na nature
  magnetycznego przejscia fazowego w Pr1-xSrxMnO3.

3
Diagram fazowy La1-xCaxMnO3 (LCMO)
WPLYW CISNIENIA NA MAGNETYCZNE WLASCIWOSCI

• Zwiazki o zawartosci Ca x 0 i x 1 sa AFM
  izolatorami
• 0.17 lt x lt 0.25 wspólistnieja dwie fazy FM
  (metaliczna i izolatorowa)
• Próg perkolacji xc krytyczny poziom
  domieszkowania, przy którym zmienia sie charakter
  przewodnictwa ze zlokalizowanego (x lt xc) na
  wedrowny (x gt xc)
• Dla LCMO xc ? 0.22

4
Diagram fazowy Pr1-xSrxMnO3 (PSMO)
WPLYW CISNIENIA NA MAGNETYCZNE
WLASCIWOSCI

• PSMO przy domieszkowaniu ma taka sama jak LCMO
  sekwencje przejsc magnetycznych
• LCMO i PSMO maja porównywalne Tc przy optymalnym
  domieszkowaniu
• Maja podobny próg perkolacji, dla PSMO xc ? 0.24
• W obydwu zwiazkach dla xc czynnik dopasowania
  (tolerance factor) ma wartosc ? 0.96, dla której
  zachodzi przejscie strukturalne z fazy
  ortorombowej (c/a lt ?2) do pseudokubicznej (c/a ?
  ?2).

C. Martin et al., PRB 60, 12 191 (1999)
5
P WPLYW
CISNIENIA NA MAGNETYCZNE WLASCIWOSCI .
EKSPERYMENT

• Monokrysztaly
• La1-xCaxMnO3 (x 0.18, 0.20, 0.22)
• i
• Pr1-xSrxMnO3 (x 0.22, 0.24, 0.26)
• zostaly wyhodowane metoda topnienia strefowego.
• Pomiary magnetyczne pod cisnieniem
  hydrostatycznym do 11 kbar (1.1 GPa) zostaly
  przeprowadzone za pomoca VSM. Uzyto miniaturowej
  komory cisnieniowej (CuBe) wypelnionej mieszanina
  oleju mineralnego i nafty.
• Mierzono próbki o cylindrycznym ksztalcie
  (srednica 1 mm, wysokosc 4 mm, wzdluz osi lt110gt).

6
La1-xCaxMnO3 - pomiary magnetyczne
WPLYW CISNIENIA NA
MAGNETYCZNE WLASCIWOSCI

• Dla x 0.20, w poblizu 70 K jest wyraznie
  widoczna zmiana nachylenia zaleznosci M(T),
  przypuszczalnie zwiazana z przejsciem do stanu
  typu szkla spinowego (brak takiej zmiany dla x
  0.22).
• Dla x xC 0.22 wzrost TC pod cisnieniem jest
  najwiekszy.

PRB 66, 094409 (2002)
7
La1-xCaxMnO3 pomiary magnetyczne
WPLYW
CISNIENIA NA MAGNETYCZNE WLASCIWOSCI

• Dla x 0.18 i 0.20, wzrost Tc pod cisnieniem
  jest porównywalny, dla obydwu zwiazków w niskich
  temperaturach stanem podstawowym jest stan FM
  izolatora ? dominuja oddzialywania nadwymiany
  (SE).
• Dla x xC 0.22, wspólczynnik cisnieniowy ma
  najwieksza wartosc, dla tego zwiazku wieksza role
  odgrywaja oddzialywania wymiany podwójnej (DE).
• Cisnienie ma wiekszy wplyw na podwójna wymiane
  niz na nadwymiane.

PRB 66, 094409 (2002)
8
Pr1-xSrxMnO3 pomiary magnetyczne
WPLYW CISNIENIA NA
MAGNETYCZNE WLASCIWOSCI

• Dla x 0.22
• W poblizu T 80 K widoczna jest zmiana
  nachylenia krzywych MFC i MZFC, jest ona
  prawdopodobnie zwiazana z porzadkowaniem sie
  momentów magnetycznych Pr.
• Tc podsieci Mn zostala okreslona jako punkt
  przegiecia krzywej M(T). Tc(Pr) jest okreslona
  jako maksymalna wartosc dMZFC/dT.
• Wspólczynniki cisnieniowe obydwu Tc sa
  diametralnie rózne dTc/dP 1.1 K/kbar natomiast
  dTc(Pr)/dP -1.7 K/kbar.

PRB 71, 224409 (2005)
9
Pr1-xSrxMnO3 pomiary magnetyczne
WPLYW CISNIENIA NA
MAGNETYCZNE WLASCIWOSCI

• Dla x 0.24, w poblizu TC dla P ? 4 kbar pojawia
  sie lokalne maksimum na krzywej MFC(T).
• Dla x 0.26, lokalne maksimum na krzywej MFC(T),
  w poblizu TC, jest widoczne dla wszystkich
  cisnien i jest wyrazniejsze niz dla x 0.24.
• Lokalne maksimum na krzywej MFC w poblizu TC moze
  wskazywac na to, ze przejscie fazowe jest I
  rodzaju.
• Wspólczynnik cisnieniowy TC ma najwieksza wartosc
  dla x xC 0.26

PRB 71, 224409 (2005)
10
Pr1-xSrxMnO3 pomiary transportowe
WPLYW CISNIENIA NA
MAGNETYCZNE WLASCIWOSCI

• Tc(Mn) jest nizsza niz temperatura przejscia MI
  (okreslona jako maksimum zaleznosci oporu od T).
  Rozsuniecie TC i TMI skutek wspólzawodnictwa
  pomiedzy oddzialywaniami DE i SE (to
  wspólzawodnictwo rosnie w poblizu progu
  perkolacji).
• Zmiany TMI i Tc pod wplywem cisnienia sa
  porównywalne. Cisnienie modyfikuje stan
  perkolacyjny, zmienia sciezki przewodnictwa.

PRB 71, 224409 (2005)
11
Wzrost wspólczynników dTC/dP i dTMI/dP dla xC
WPLYW
CISNIENIA NA MAGNETYCZNE WLASCIWOSCI
PRB 71, 224409 (2005)

• Wzrost wartosci dTC/dP dla xC jest zwiazany z
  rózna natura oddzialywan magnetycznych ponizej i
  powyzej xC dla x gt xc nosniki sa bardziej
  ruchliwe, magnetyczne i transportowe wlasciwosci
  sa zdominowane przez DE, dla x lt xC
  oddzialywania DE sa czesciowo zastapione przez
  SE.
• Cisnienie ma wiekszy wplyw na oddzialywania DE
  niz na SE. Cisnienie (podobnie jak podstawienia
  chemiczne jonów o wiekszym promieniu) powoduje
  wzrost kata miedzy wiazaniami Mn-O-Mn i zmniejsza
  dlugosc wiazania Mn-O-Mn, prowadzi to do wzrostu
  szerokosci pasma eg (W cosw/(dMn-O)3.5) i w
  konsekwencji do wyzszych wartosci Tc i TMI.

12
Pr1-xSrxMnO3 - natura magnetycznego przejscia
fazowego
WPLYW CISNIENIA NA MAGNETYCZNE
WLASCIWOSCI

• Model Beana-Rodbella (Phys. Rev. 126, 104
  (1962))
• W modelu tym rozwaza sie ferromagnetyk w
  przyblizeniu pola molekularnego.
• Uwzglednia sie zaleznosc energii wymiany od
  odleglosci miedzyatomowych, jesli ta zaleznosc
  jest slaba M(T) zmienia sie w sposób ciagly,
  jesli jest silna, funkcja M(T) staje sie
  nieciagla.
• Stala pola molekularnego l wyraza sie jako
  wielkosc proporcjonalna do parametru n
  (parametru sprzezenia) zaleznego od spinu S.
• Na podstawie analizy zaleznosci zredukowanego
  namagnesowania m od T/Tc, mozna okreslic typ
  przejscia fazowego. Jesli parametr n lt 1,
  magnetyczne przejscie fazowe jest II rodzaju,
  jesli n gt 1 przejscie jest I rodzaju.
• Novak et al. (PRB 60, 6655 (1999)) pokazali, ze
  model B-R moze byc wykorzystany do analizy natury
  przejscia fazowego w manganitach.

13
Pr1-xSrxMnO3 natura magnetycznego przejscia
fazowego
WPLYW CISNIENIA NA MAGNETYCZNE
WLASCIWOSCI

• Porównanie wyników doswiadczalnych z
  przewidywaniami modelu B-R pozwala, na podstawie
  analizy m od T/Tc, na okreslenie typu przejscia
  fazowego. Jesli parametr n lt 1, magnetyczne
  przejscie fazowe jest II rodzaju, jesli n gt 1
  przejscie jest I rodzaju.

PRB 71, 224409 (2005)

• Charakter przejscia fazowego zmienia sie z
  poziomem domieszkowania dla x 0.22, przejscie
  jest II rodzaju (n ? 0.5), dla x 0.26 jest
  raczej I rodzaju (n ? 1, osobliwosc MFC w TC),
  dla obydwu próbek rodzaj przejscia nie zalezy od
  cisnienia.
• Dla x 0.24, widac wplyw cisnienia na charakter
  przejscia dla P 0, przejscie jest II rodzaju
  (n ? 0.5), dla P11 kbar jest I rodzaju (n ? 1,
  osobliwosc MFC )

14
Wnioski
WPLYW CISNIENIA NA
MAGNETYCZNE WLASCIWOSCI

• Wspólczynniki cisnieniowe dTC/dP i dTMI/dP silnie
  rosna w poblizu progu perkolacji xC i nie maleja
  powyzej xC (wbrew przewidywaniom teoretycznym).
• Pod wplywem cisnienia moze ulec zmianie charakter
  przejscia fazowego ferromagnetyk-paramagnetyk.

15
Nadprzewodnictwo diamentu domieszkowanego borem
NADPRZEWODNICTWO PIERWIASTKÓW
29 (pod cisnieniem normalnym) 25 (pod
cisnieniem) 54 (z 92 pierwiastków)
kolor zólty
kolor zielony
C. Buzea, K. Robbie Supercond. Sci. Technol. 18
(2005) R1-R8
16
Nadprzewodnictwo pierwiastków
Nadprzewodnictwo diamentu domieszkowanego borem

• Nb TC 9.25 K (najwyzsza TC pierwiastka)
• Li TC 20 K pod p 50 GPa (najwyzsza TC
  pierwiastka pod cisnieniem, przejscie do
  struktury o nizszej symetrii)
• Si TC 8.5 K pod p 12 GPa, Ge TC 5.4 K pod
  p 11.5 GPa
• O TC 0.6 K pod p 120 GPa, Fe TC 2.0 K
  pod p 21 GPa
• nadprzewodnictwo B pod cisnieniem
• M.I. Eremets et al. Science 293, 272 (2001)
• próbka 20 mm, elektrody pomiarowe 2 mm
• p ? 160 GPa, TC 6 K, TC 11.2 K pod p ? 250
  GPa (!)
• Swiety Graal metaliczny H p ? 400 GPa, TC TR)
  (500 GPa 5 Mbar cisnienie w srodku Ziemi, pmax
  w kowadlach diamentowych 560 GPa A.L. Ruoff, H.
  Luo, Recent Trends in High Pressure Research, ed.
  A.K. Singh, IBH, Oxford, 1992)

17
PRESSURE EFFECTS ON MAGNETIC PROPERTIES .
La1-xCaxMnO3 transport measurements

• At TFI ? 150 K transition from FM insulating
  state to FM metallic
• Under pressure huge reduction in r(T) and shift
  of TFI towards lower temperatures
• Pressure enhances carrier itinerancy, stabilizes
  the metallic phase and widens the temperature
  region of the metallic phase

18
La1-xCaxMnO3 magnetic measurements
PRESSURE EFFECTS ON
MAGNETIC PROPERTIES .

• The difference between MFC and MZFC decreases
  under pressure ? increase of FM metallic regions
  at the expense of frustrated spin structures
• Under pressure M increases

19
La1-xCaxMnO3 magnetic measurements
WPLYW CISNIENIA NA
MAGNETYCZNE WLASCIWOSCI

• The different nature of FM interactions for x
  0.20 and 0.22 is also reflected in their M(H)
  curves
• For x 0.2
• Along easy direction M(H) does not saturate in
  fields up to 15 kOe
• The anisotropy in (110) plane almost disappears
  in fields H gt 12 kOe
• Pressure gradually suppresses the magnetic
  anisotropy in (110) plane and at P 8.9 kbar the
  anisotropy vanishes completely
• For x 0.22
• Magnetization saturates in H 5 kOe and pressure
  practically does not affect M(H) curve