Основные достижения 2008 г.

Проведены технологические исследования, направленные на получение минимальной ширины линии ФМР ΔH нанокристаллических пленок кобальта при максимальном значении эффективной намагниченности насыщения M₀, а также на уменьшение степени магнитных неоднородностей по площади и по толщине образцов с целью достижения в них предельно высокой магнитной проницаемости μ в заданном диапазоне сверхвысоких частот. Измерение эффективной намагниченности насыщения, одноосной анизотропии, коэрцитивной силы и других характеристик локальных участков пленок проводились на сканирующем спектрометре ферромагнитного резонанса в дециметровом диапазоне длин волн. В результате разработана технология химического осаждения пленок с высокой μ [1,2], которые могут использоваться в конструкциях различных управляемых СВЧ-устройств: в перестраиваемых режекторных и полосно-пропускающих фильтрах, фазовых манипуляторах, магнитных антеннах.

Впервые показано, что высокочастотные свойства химически осажденных "рентгено-аморфных" пленок можно существенно улучшить, если при их получении предварительно на подслой палладия осадить буферный немагнитный, но аморфный слой определенной толщины. В качестве буферного слоя может использоваться пленка Ni-P, получаемая также химическим осаждением, но с содержанием фосфора в ней более 7%, когда она становится немагнитной. На рисунке показаны зависимости ширины линии ФМР и эффективной намагниченности насыщения, снятые от толщины немагнитной прослойки δ при фиксированной толщине магнитной пленки d и наоборот.

Рис. 1.

Разработанная технология позволяет значительно увеличить сверхвысокочастотную магнитную проницаемость образцов за счет уменьшения ширины линии ферромагнитного резонанса и увеличения эффективной намагниченности насыщения. При этом для получения максимального эффекта толщина немагнитной прослойки должна быть не менее 20-30 nm. Оптимальная толщина пленок кобальта в этой технологии, обеспечивающая минимальную ширину линии ФМР, а значит и максимальную магнитную проницаемость образца в дециметровом диапазоне длин волн, попадает в сравнительно широкий интервал ~20-60 nm. Уменьшение магнитной проницаемости с ростом толщины пленки Co связано с проявлением скин-эффекта, поэтому при синтезе образцов на более низкие частоты оптимальная толщина пленки должна увеличиваться пропорционально ~(f )^–0.5.

1. Кипарисов С.Я., Беляев Б.А. Способ получения аморфных магнитных пленок Co-P. Патент РФ № 2306367. БИ № 26, 2007.
2. Беляев Б.А., Изотов А.В., Кипарисов С.Я., Скоморохов Г.В. Синтез и исследование магнитных характери-стик нанокристаллических пленок кобальта. // ФТТ. – 2008. – Т. 50. – Вып. 4. – С. 650-656.

Лаборатория Электродинамики и СВЧ Электроники

В рамках теории электронных систем с сильными корреляциями показано, что динамические спин-флуктуационные процессы как в редкоземельных интерметаллидах с тяжелыми фермионами, так и в купратных сверхпроводниках играют существенную роль при описании их нормальных и сверхпроводящих свойств. Учет спиновых флуктуаций впервые реализован посредством введения аномальных компонент силового оператора, зависящих от мацубаровских частот. Для модели Андерсона, описывающей состояние с тяжелыми фермионами, а также для популярной в теории ВТСП t-t'-t"-J* — модели, учитывающей дальние перескоки и трехцентровые взаимодействия, получена и решена бесконечная система модифицированных интегральных уравнений Горькова, определяющая аномальные компоненты массового и силового операторов. На основе численных расчетов показано, что для редкоземельных интерметаллидов температура перехода в сверхпроводящую s-фазу (такая фаза обнаружена в тяжелофермионном скуттерудите LaFe₄P₁₂ (Y. Nakai, et.al., JPSJ, 74, 2005)) значительно изменяется при включении процессов рассеяния на спиновых флуктуациях и достигает наблюдаемых значений (~4K).

В купратных сверхпроводниках влияние динамических спин-флуктуационных процессов на область реализации сверхпроводящей d-фазы оказалось более значительным. На рисунке показаны концентрационные зависимости критической температуры, полученные для двух наборов параметров в различных приближениях. Видно, что динамические процессы спин-флуктуационного рассеяния не только существенно меняют область реализации сверхпроводящей фазы, но и могут приводить к ее значительному подавлению .

Рис. 1. Зависимости T_c(n) для двух случаев: пунктир – теория среднего поля; сплошные линии – T_c(n) поведение при учете спин-флуктуационных процессов (J=0.4|t| ).

В предельном случае сильных взаимодействий между спиновыми моментами коллективизированных и локализованных электронов, когда спектр фермиевских возбуждений и магнитная структура CuO₂ — плоскости ВТСП материалов хорошо моделируется двумерной решеткой Кондо, исследована природа куперовской неустойчивости в подсистеме спиновых поляронов. Показано, что между этими сложными квазичастицами возникают эффективные взаимодействия, приводящие как к индуцированию куперовской неустойчивости, так и к ее подавлению. Вычисленная концентрационная зависимость критической температуры перехода ансамбля спиновых поляронов в сверхпроводящую фазу показывает, что система спиновых поляронов на 2D- решетке Кондо является реальной альтернативной моделью для описания свойств купратных сверхпроводников.

1. Вальков В.В., Дзебисашвили Д.М. Спин-флуктуационная ренормировка критической температуры сверхпроводящей s-фазы редкоземельных интерметаллидов // ЖЭТФ, - 2008, - Т.134, - Вып. 4, - С. 791-805.
2. Вальков В.В., Головня А.А. Влияние спиновых флуктуаций на сверхпроводящую фазу фермионов Хаббарда t-t'-t''-J* - модели // ЖЭТФ, - 2008, - Т.134, - Вып. 6, - С. 1167-1180.
3. Вальков В.В., Коровушкин М.М., Барабанов А.Ф. Эффективные взаимодействия и природа куперовской неустойчивости спиновых поляронов на 2D решетке Кондо // Письма в ЖЭТФ. ? 2008, - Т.88, - Вып. 6, ? С.426-430.

Лаборатория теоретической физики

С помощью упругого рассеяния нейтронов изучены магнитные структуры кристаллов RFe₃(BO₃)₄ (R = Y, Ho). В обоих соединениях обнаружены антиферромагнитные структуры с волновым вектором k = [0, 0, 1/2], возникающая при температурах Нееля 37 К и 38 К для Y и Ho соответственно. В YFe₃(BO₃)₄ во всем исследованном температурном интервале магнитная структура представляет собой ферромагнитно упорядоченные легкие плоскости (a-b) с антиферромагнитным упорядочением соседних плоскостей. Период магнитной структуры удвоен по оси с по сравнению с кристаллической. Такая магнитная структура подтверждается данными антиферромагнитного резонанса.

Более сложная магнитная структура ферробората гольмия HoFe₃(BO₃)₄ обусловлена конкуренцией анизотропных вкладов магнитных подсистем железа и гольмия. Ниже T_N магнитная структура (рис. 1а), как и в ферроборате иттрия, является легкоплоскостной, но третья часть ионов Fe³⁺ имеет ненулевые компоненты магнитных моментов вдоль оси с (красные стрелки). При этом магнитные моменты ионов Ho³⁺ (желтые стрелки), упорядоченных за счет обменного взаимодействия с ионами железа, также лежат в базисной плоскости. Конкуренция анизотропных вкладов магнитных подсистем приводит к спонтанной спиновой переориентации при Т_SR≈5К. Ниже этой температуры магнитные моменты всех ионов железа (красные стрелки на рис. 1б) выстраиваются вдоль оси с, при этом магнитные моменты ионов гольмия (черные стрелки) преимущественно также ориентированы вдоль этой оси, однако часть ионов имеют значительные компоненты в плоскости (a-b).

Установленная магнитная структура HoFe₃(BO₃)₄ подтверждается исследованиями магнитных свойств этого кристалла. Обнаружено, что магнитное поле, приложенное как вдоль ромбоэдрической оси, так и в базисной плоскости, снижает температуру ориентационного перехода. Для обеих ориентаций магнитного поля построены магнитные фазовые диаграммы (рис. 2).

1. Ritter C., Vorotynov A., Pankrats A., Petrakovskii G., Temerov V., Gudim I., Szymczak R. Magnetic structure in iron borates RFe3(BO3)4 (R=Y, Ho), a neutron diffraction and magnetization study. J. Phys.: Condens. Matter, - 2008, - v. 20, - p. 365209 (9pp).
2. Панкрац А.И., Петраковский Г.А., Безматерных Л.Н., Темеров В.Л.. Антиферромагнитный резонанс и магнитная анизотропия в монокристаллах системы YFe3(BO3)4 ? GdFe3(BO3)4. // ФТТ, - 2008, - т. 50, - В. 1, – С. 77-81.

Лаборатория Резонансных Свойств Магнитоупорядоченных Веществ

В ИФ СО РАН совместно с Институтом кристаллографии РАН, Институтом физики высоких давлений РАН и американскими коллегами из Института Карнеги (Вашингтон) и синхротронного центра Аргонской национальной лаборатории исследованы новые электронные переходы в мотовских диэлектриках при высоких давлениях. В монокристаллах BiFeO₃ при высоких давлениях в окрестности 50 ГПа обнаружен переход в металлическое состояние по измерениям сопротивления и спиновый кроссовер по данным рентгеновских эмиссионных спектров. Предложен новый механизм перехода Мотта-Хаббарда, индуцированный спиновым кроссовером, (рис. 1). Показано, что спиновый кроссовер термов с S=2 и S=1 индуцирует новый магнитный переход под давлением в окрестности 15 ГПа в монокристаллах Fe₃O₄, обнаруженный методом рентгеновского кругового дихроизма. Проведено исследование оптических спектров поглощения монокристаллов VBO₃ при воздействии высоких давлений до 70 ГПа, создаваемых в камере с алмазными наковальнями. Обнаружен электронный переход в окрестности 30 ГПа, сопровождаемый резким падением края оптического поглощения от 3.02 до 2.25 эВ и изменением оптических свойств образцов (Рис. 2). Величина критического давления, при котором возможен переход в металлическое состояние, оценена равной P_met ~ 290 ГПа

Рис. 1. Подавление сильных корреляцией за счет спинового кроссовера для Fe(+3) иона понижает критическое давление мотовского перехода диэлектрик-металл.

Рис. 2. Скачок края оптического поглощения и энергий возбуждений внутри запрещенной зоны VBO₃ при высоком давлении в сравнении с электронным переходом в FeBO₃.

1. Gavriliuk A.G., Struzhkin V.V., Lyubutin I.S., Ovchinnikov S.G., Hu M.Y., Chow P. Another mechanism for the insulator-metal transition in BiFeO3 // Phys. Rev. – 2008. – V. 71, p. 155112.
2. Овчинников С.Г. Влияние спиновых кроссоверов на переход Мотта-Хаббарда при высоких давлениях // ЖЭТФ – 2008. – Т. 134, №1, С.172-178.
3. Ding Y., Haskel D., Ovchinnikov S.G., Tseng Y.-Ch., Orlov Yu.S., Mao N-K. A Novel Magnetic Transition in Magnetite Fe₃O₄ between 12-16 GPa // Phys. Rev. Lett. – 2008. – V. 100, p. 045508.
4. Гаврилюк А.Г., Казак Н.В., Овчинников С.Г., Любутин И.С. Электронные переходы в монокристалле VBO₃ при высоких давлениях // Письма в ЖЭТФ, – 2008. – Т. 88, №11.

Лаборатория физики магнитных явлений