Наиболее важные результаты исследований

Наиболее важные результаты исследований, проведенных в лаборатории в последние годы:

  1. Впервые получены монокристаллы орторомбического PbFeBO4. Магнитные исследования показали, что ниже температуры Нееля TN=114 K он является трехмерным коллинеарным антиферромагнетиком с вектором антиферромагнетизма, направленным вдоль ромбической оси с. В области температуры Нееля обнаружены аномалии диэлектрических свойств, свидетельствующие о взаимосвязи магнитной и электрической подсистем кристалла.

    result1_rsmuv.jpg

    Температурные зависимости магнитной восприимчивости
    монокристалла PbFeBO4
    result2_rsmuv.jpg
      Аномалии диэлектрических свойств
    монокристалла PbFeBO4
  2. Синтезированы поликристаллические соединения семейства RFeTi2O7 (R=Sm, Gd, Dy, Lu, Tu, Tb) и проведены рентгеноструктурные, мессбауэровские, калориметрические и магнитные (ac и dc) исследования.

    result3_rsmuv.jpg
    Схематическая кристаллическая структура соединения TbFeTi2O7, иллюстрирующая неэквивалентные позиции ионов железа

    Установлено, что в области низких температур в RFeTi2O7 реализуется магнитное состояние спинового стекла.

    Показано, что состояние спинового стекла возникает как результат конкуренции обменных взаимодействий между ионами железа, которые находятся в различных кристаллографических позициях.

  3. В монокристалле Cu3B2O6, имеющем слоистую структуру, исследовано влияние внешнего магнитного поля на диэлектрическую проницаемость в направлении перпендикулярно слоям (bc - плоскостям).

    Обнаружено, что заметный магнитодиэлектрический эффект в области температур ниже температуры Нееля ( 10 K) присутствует только при одной ориентации магнитного поля H и кристаллографического направления, а именно, при H || b.

    Такая «избирательность» магнитодиэлектрического эффекта коррелирует с анизотропным поведением магнитных свойств кристалла.

    result4_rsmuv.jpg
    Температурные зависимости магнитного момента M(T) (ось M – левая шкала) в поле H = 5 kOe в различных ориентациях магнитного поля H и кристаллографических осей Cu3B2O6 и диэлектрической проницаемости
    (в единицах ёмкости, ось C – правая шкала) в нулевом поле и H = 50 kOe, H || b.

  4. Раствор-расплавным методом выращены орторомбические монокристаллы Pb2Fe2Ge2O9. Впервые проведены их рентгенографические, магнитные, нейтронографиче¬ские, мессбауэровские и резонансные исследования. Установлено, что ниже температуры Нееля ТN=46 К это соединение является антиферромагнетиком со слабым ферромагнетизмом. Экспериментально определены поля спин-флоп перехода и сделаны оценки величины обменного поля. Показано, что слабый ферромагнетизм возникает как результат неколлинеарности осей одноионных анизотропий для магнитных моментов, принадлежа¬щих различным магнитным подрешеткам.

    Синтезированы монокристаллы Pb3Mn7O15 со смешанной валентностью марганца (Mn3+ и Mn4+) и проведены магнитные, транспортные, калориметрические и нейтронографические измерения на монокристаллах, которые показали, что при температурах ниже 250 К наблюдается несколько магнитных фазовых переходов. При T~160 К формируется ближний антиферромагнитный порядок, при 70 К устанавливается дальний магнитный порядок со слабым спонтанным моментом, при 20 К реализуется спин-переориентационный переход.

  5. Методом твердофазной реакции синтезированы соединения NaFeGe2O6 и LiFeGe2O6 и проведены их рентгеноструктурные, нейтронографические, мессбауэровские, калориметрические и магнитные исследования. В частности, из анализа магнитных пиков в картине нейтронной дифракции установлено, что в NaFeGe2O6 при температуре 1,6 К реализуется несоизмеримая магнитная структура, представляющая собой антиферромагнитную спираль с геликоидальной модуляцией в а-с плоскости кристаллической решетки (рис. 1) и волновым вектором магнитной структуры k = (0.3357(4), 0, 0.0814(3)). Магнитные и калориметрические измерения показывают, что в NaFeGe2O6 наряду с магнитным фазовым переходом порядокбеспорядок с ТN = 13 K существует дополнительный магнитный фазовый переход при Тс = 11,5 К, который предположительно является ориентационным.

    Геликоидальная магнитная структура NaFeGe2O6

    Рис. 1. Геликоидальная магнитная структура NaFeGe2O6

  6. Исследовано неупругое рассеяние нейтронов на монокристалле Cu3B2O6. Установлено, что при температурах ниже 14 К в системе спиновых возбуждений формируется энергетическая щель, свидетельствующая об установлении синглетного спинового состояния.
  7. С помощью магниторезонансных, магнитных и магнитострикционных измерений впервые построены и изучены магнитные фазовые диаграммы тетрагонального кристалла метабората меди CuB2O4 в магнитном поле вдоль тетрагональной оси (рис. 2) и в базисной плоскости. Фазовые диаграммы, обусловленные сосуществованием двух обменносвязанных подсистем ионов меди, содержат индуцированное полем соизмеримое слабоферромагнитое состояние и несколько модулированных магнитных состояний. Показано, что при Т<9,5 К переход из несоизмеримого в индуцированное соизмеримое состояние в магнитном поле вдоль тетрагональной оси вызван насыщением слабоупорядоченной подсистемы вдоль этого направления.

    Магнитная фазовая диаграмма CuB2O4

    Рис. 2. Магнитная фазовая диаграмма CuB2O4, H||c. Состояния: 1 – несоизмеримое,
    2 - длиннопериодическое модулированное, 3 - слабоферромагнитное.

    Предложен новый механизм формирования несоизмеримой магнитной структуры типа поперечная спираль за счет снятия фрустрации по межподсистемному обмену в двухподсистемном антиферромагнетике. Анализ полевой зависимости намагниченности CuB2O4 в магнитном поле вдоль тетрагональной оси кристалла показал, что данный механизм ответственен за формирование геликоидальной структуры в этом магнетике при T<9.5K.

    В приближении среднего поля показана возможность сосуществования двух магнитных подсистем с разными собственными волновыми векторами и перехода спиновой системы из несоизмеримой фазы в соизмеримую через фазу с отличающимися волновыми векторами ее отдельных подсистем. В отсутствие взаимодействия между подсистемами каждая из них упорядочивается со своим волновым вектором, при значительной величине этого взаимодействия упорядочение системы обладает общим волновым вектором. Показано, что в CuB2O4этот эффект объясняет появление при Т=1,8 К при намагничивании в базисной плоскости в полях 1.3 T<H<1.8 T промежуточного полунесоизмеримого состояния, в котором несоизмеримой остается только одна из подсистем.

  8. Продолжены исследования магнитных, магниторезонансных и калориметрических свойств кристаллов семейства хантита с общей формулой RFe3(BO3)4, где R – редкоземельный ион, в которых магнитоанизотропные свойства определяются вкладами магнитных подсистем ионов железа и редкоземельных ионов. Исследования магнитного резонанса в YFe3(BO3)4 позволили установить магнитную структуру для подсистемы железа, разделить магнитоанизотропные вклады подсистем Fe3+ и Gd3+ в магнитную анизотропию GdFe3(BO3)4 и объяснить спонтанный ориентационный переход в этом кристалле конкуренцией вкладов подсистем Fe3+ и Gd3+. Проведены нейтронографические и магнитные исследования в семействе RFe3(BO3)4 с R=Nd, Tb, Dy, Y, Ho, Pr, Er и обнаружено сильное влияние редкоземельного иона на магнитные структуры. Подтвержден вывод магниторезонансных исследований о том, что в YFe3(BO3)4 подсистема ионов железа представляет собой легкоплоскостной антиферромагнетик с TN=38 K, подобная магнитная структура обнаружена для R=Er. В ферроборате неодима ниже TN=30,5 K также устанавливается легкоплоскостная антиферромагнитная структура (рис. 3), однако ниже 20 К на нее накладывается слабая длиннопериодическая несоразмерность с волновым вектором структуры k = [0, 0, 3x = 3/2 +ε].
  9. В ферроборатах тербия, диспрозия и празеодима реализуется легкоосная антиферромагнитная структура, причем в TbFe3(BO3)4 и DyFe3(BO3)4 в магнитном поле вдоль тригональной оси происходит метамагнитный переход, при котором магнитные моменты редкоземельной подсистемы устанавливаются по полю, а в подсистеме железа происходит спин-флоп переход. В ферроборате гольмия, как и в GdFe3(BO3)4, конкуренция магнитоанизотропных вкладов подсистем Fe3+ и Ho3+ приводит к спин-переориентационному переходу при ТСП=4,7 К, по данным нейтронографических, магнитных и калориметрических измерений построена магнитная фазовая диаграмма HoFe3(BO3)4 (рис. 4).

     

    легкоплоскостная антиферромагнитная структура магнитная фазовая диаграмма HoFe3(BO3)4
    Рис. 3. Легкоплоскостная антиферромагнитная структура. Рис. 4. Магнитная фазовая диаграмма HoFe3(BO3)4.

     

  10. Методом ЭПР ионов Cu2+ исследован эффект Яна-Теллера в монокристалле шпинели ZnGa2O4 в диапазоне температур 110÷560 K. Показано, что ионы меди занимают октаэдрические позиции 16d в кристалле ZnGa2O4 с кубической симметрией O7h (Fd-3m). При T &lasymp;t; 560 K октаэдры испытывают тетрагональные искажения (преимущественно растяжение) и поворот вдоль осей четвертого порядка на угол θ ≈ 2.6°. Определены параметры спинового гамильтониана, характеризующего вытянутые (g = 2.355, g = 2.077, A = 116 Oe, A = 12 Oe) и сжатые (g= 2.018, g = 2.246, A =75 Oe, A= 44 Oe) октаэдры. При температурах выше 560K статический эффект Яна-Теллера переходит в динамический, и спектр магнитного резонанса становится изотропным с g = 2.116.
  11. Продолжены комплексные исследования структурных, магнитных, магниторезонансных и транспортных свойств сульфидных соединений переходных металлов, представляющих потенциальный интерес как материалы для спинтроники. Установлено, что в системе однородных твердых растворов FeXMn1-XS с кубической NaCl структурой замещение ионов марганца ионами железа осуществляется в октаэдрических позициях и вызывает сжатие ГЦК решетки. Задавая состав твердого раствора, можно изменять величину электросопротивления при комнатной температуре на 6 порядков (от 105 до 10-1 Ом·см). Измерения колоссальной магнитострикции и нейтронографические исследования указывают на важную роль спин-фононных взаимодействий в этом соединении.

    В сульфидах системы CoХMn1-ХS обнаружено изменение типа проводимости с дырочного при Х≤0,3 на металлический при Х=0.4.

  12. Частотно-полевые зависимости резонанса шпинельной фазы в CuCrS2 В рамках разработки альтернативных технологий создания гетероструктур для спинтроники выполняются исследования слоистых интеркалированных соединений на основе дисульфида хрома-меди CuCrS2. Магниторезонансные (рис. 5) и структурные (рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия) исследования показали, что монокристаллы CuCrS2, выращенные методом газового транспорта при определенном режиме роста, представляют собой гетероструктуры, образованные чередующимися монокристаллическими слоями полупроводника CuCrS2 и металлической ферромагнитной шпинели CuCr2S4 с толщиной шпинельных слоев значительно менее 1 мкм. Методами нейтронографической и синхротронной спектроскопии CuCrS2 обнаружен фазовый переход в геликоидальную антиферромагнитную структуру (температура Нееля 37-40 К) с несоизмеримым вектором распространения, который сопровождается структурным переходом R3m → C8m. На основе дисульфида хрома меди синтезированы поликристаллические вещества CuCr1-xVxS2 с колоссальным магнитосопротивлением.
  13. С помощью эффекта Мессбауэра показано, что при внедрении Fe и Mn в оксидных стеклах формируются частицы марганцевого феррита. Прослежена эволюция магнитных свойств частиц при изменении условий синтеза стекол. Исследовано влияние условий жизнедеятельности бактерий Klebsiella Oxytoca на свойства ферритина и его минерального ядра - ферригидрита. На основе этих исследований получены магнитные наночастицы для медицинских применений в оториноларингологии. Проведена магнитотерапия открытых ран и получены обнадеживающие результаты. Проведены мессбауэровские исследования состава и структур микросфер, выделяемых из зол углей различных месторождений. Показано, что микросферы зол углей Бородинского и Тунгуйского месторождений оказываются высоко активными как катализаторы окислительной димеризации метана. Показано, что активные центры возникают в окрестности октаэдрического железа, имеющего в своем окружении две катионные вакансии в структуре шпинели.