WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI MANGANITÓW W POBLIŻU PROGU PERKOLACJI A. Wiśniewski a, R. Puźniak a, V. Markovich b, I. Fita a,c, Ya.M. Mukovskii d a Institute of Physics, Polish Academy of Sciences, Warsaw, Poland b Department of Physics, Ben-Gurion University of the Negev, Beer-Sheva, Israel c Donetsk Institute for Physics and Technology, NAS, Donetsk, Ukraine d Moscow State Institute of Steel and Alloys, Moscow, Russia

Plan wykładu WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI …. Magnetyczny diagram fazowy La 1-x Ca x MnO 3 i Pr 1-x Sr x MnO 3. Wpływ ciśnienia na właściwości magnetyczne i transportowe (T C, T MI ). Wpływ ciśnienia w pobliżu progu perkolacji x C (niektóre prace teoretyczne przewidywały, że współczynnik ciśnieniowy dT C /dP maleje ze wzrostem domieszkowania). Wpływ domieszkowania i ciśnienia na naturę magnetycznego przejścia fazowego w Pr 1-x Sr x MnO 3.

Diagram fazowy La 1-x Ca x MnO 3 (LCMO) WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … Związki o zawartości Ca: x = 0 i x = 1 są AFM izolatorami 0.17 < x < 0.25 – współistnieją dwie fazy FM (“metaliczna” i “izolatorowa”) Próg perkolacji x c – krytyczny poziom domieszkowania, przy którym zmienia się charakter przewodnictwa ze zlokalizowanego (x x c ) Dla LCMO: x c  0.22

Diagram fazowy Pr 1-x Sr x MnO 3 (PSMO) PSMO – przy domieszkowaniu ma taką samą jak LCMO sekwencję przejść magnetycznych LCMO i PSMO mają porównywalne T c przy optymalnym domieszkowaniu Mają podobny próg perkolacji, dla PSMO: x c  0.24 W obydwu związkach dla x c czynnik dopasowania (tolerance factor) ma wartość  0.96, dla której zachodzi przejście strukturalne z fazy ortorombowej (c/a < 2) do pseudokubicznej (c/a  2). WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … C. Martin et al., PRB 60, (1999)

Monokryształy: La 1-x Ca x MnO 3 (x = 0.18, 0.20, 0.22) i Pr 1-x Sr x MnO 3 (x = 0.22, 0.24, 0.26) zostały wyhodowane metodą topnienia strefowego. Pomiary magnetyczne pod ciśnieniem hydrostatycznym do 11 kbar (1.1 GPa) zostały przeprowadzone za pomocą VSM. Użyto miniaturowej komory ciśnieniowej (CuBe) wypełnionej mieszaniną oleju mineralnego i nafty. Mierzono próbki o cylindrycznym kształcie (średnica 1 mm, wysokość 4 mm, wzdłuż osi ). EKSPERYMENT P WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI ….

La 1-x Ca x MnO 3 - pomiary magnetyczne Dla x = 0.20, w pobliżu 70 K jest wyraźnie widoczna zmiana nachylenia zależności M(T), przypuszczalnie związana z przejściem do stanu typu szkła spinowego (brak takiej zmiany dla x = 0.22). Dla x = x C = 0.22 wzrost T C pod ciśnieniem jest największy. WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … PRB 66, (2002)

La 1-x Ca x MnO 3 – pomiary magnetyczne Dla x = 0.18 i 0.20, wzrost T c pod ciśnieniem jest porównywalny, dla obydwu związków w niskich temperaturach stanem podstawowym jest stan FM izolatora  dominują oddziaływania nadwymiany (SE). Dla x = x C = 0.22, współczynnik ciśnieniowy ma największą wartość, dla tego związku większą rolę odgrywają oddziaływania wymiany podwójnej (DE). Ciśnienie ma większy wpływ na podwójną wymianę niż na nadwymianę. WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … PRB 66, (2002)

Pr 1-x Sr x MnO 3 – pomiary magnetyczne WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … Dla x = 0.22:  W pobliżu T ≈ 80 K widoczna jest zmiana nachylenia krzywych M FC i M ZFC, jest ona prawdopodobnie związana z porządkowaniem się momentów magnetycznych Pr.  T c podsieci Mn została określona jako punkt przegięcia krzywej M(T). T c (Pr) jest określona jako maksymalna wartość dM ZFC /dT.  Współczynniki ciśnieniowe obydwu T c są diametralnie różne: dT c /dP ≈ 1.1 K/kbar natomiast dT c (Pr)/dP ≈ -1.7 K/kbar. PRB 71, (2005)

Pr 1-x Sr x MnO 3 – pomiary magnetyczne Dla x = 0.24, w pobliżu T C dla P  4 kbar pojawia się lokalne maksimum na krzywej M FC (T). Dla x = 0.26, lokalne maksimum na krzywej M FC (T), w pobliżu T C, jest widoczne dla wszystkich ciśnień i jest wyraźniejsze niż dla x = Lokalne maksimum na krzywej M FC w pobliżu T C może wskazywać na to, że przejście fazowe jest I rodzaju. Współczynnik ciśnieniowy T C ma największą wartość dla x = x C = 0.26 WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … PRB 71, (2005)

Pr 1-x Sr x MnO 3 – pomiary transportowe T c (Mn) jest niższa niż temperatura przejścia MI (określona jako maksimum zależności oporu od T). „Rozsunięcie” T C i T MI – skutek współzawodnictwa pomiędzy oddziaływaniami DE i SE (to współzawodnictwo rośnie w pobliżu progu perkolacji). Zmiany T MI i T c pod wpływem ciśnienia są porównywalne. Ciśnienie modyfikuje „stan perkolacyjny”, zmienia ścieżki przewodnictwa. WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … PRB 71, (2005)

Wzrost współczynników dT C /dP i dT MI /dP dla x C Wzrost wartości dT C /dP dla x C jest związany z różną naturą oddziaływań magnetycznych poniżej i powyżej x C : dla x > x c nośniki są bardziej ruchliwe, magnetyczne i transportowe właściwości są zdominowane przez DE, dla x < x C oddziaływania DE są częściowo zastąpione przez SE. Ciśnienie ma większy wpływ na oddziaływania DE niż na SE. Ciśnienie (podobnie jak podstawienia chemiczne jonów o większym promieniu) powoduje wzrost kąta między wiązaniami Mn-O-Mn i zmniejsza długość wiązania Mn-O-Mn, prowadzi to do wzrostu szerokości pasma e g (W = cos  /(d Mn-O ) 3.5 ) i w konsekwencji do wyższych wartości T c i T MI. WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI … PRB 71, (2005)

Pr 1-x Sr x MnO 3 - natura magnetycznego przejścia fazowego Model Beana-Rodbella (Phys. Rev. 126, 104 (1962)) W modelu tym rozważa się ferromagnetyk w przybliżeniu pola molekularnego. Uwzględnia się zależność energii wymiany od odległości międzyatomowych, jeśli ta zależność jest słaba M(T) zmienia się w sposób ciągły, jeśli jest silna, funkcja M(T) staje się nieciągła. Stałą pola molekularnego wyraża się jako wielkość proporcjonalną do parametru n („parametru sprzężenia”) zależnego od spinu S. Na podstawie analizy zależności zredukowanego namagnesowania m od T/T c, można określić typ przejścia fazowego. Jeśli parametr n 1 przejście jest I rodzaju. Novak et al. (PRB 60, 6655 (1999)) pokazali, że model B-R może być wykorzystany do analizy natury przejścia fazowego w manganitach. WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI …

Pr 1-x Sr x MnO 3 –natura magnetycznego przejścia fazowego Porównanie wyników doświadczalnych z przewidywaniami modelu B-R pozwala, na podstawie analizy m od T/T c, na określenie typu przejścia fazowego. Jeśli parametr n 1 przejście jest I rodzaju. WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI …  Charakter przejścia fazowego zmienia się z poziomem domieszkowania: dla x = 0.22, przejście jest II rodzaju (n  0.5), dla x = 0.26 jest raczej I rodzaju (n  1, osobliwość M FC w T C ), dla obydwu próbek rodzaj przejścia nie zależy od ciśnienia.  Dla x = 0.24, widać wpływ ciśnienia na charakter przejścia: dla P = 0, przejście jest II rodzaju (n  0.5), dla P=11 kbar jest I rodzaju (n  1, osobliwość M FC ) PRB 71, (2005)

Wnioski  Współczynniki ciśnieniowe dT C /dP i dT MI /dP silnie rosną w pobliżu progu perkolacji x C i nie maleją powyżej x C (wbrew przewidywaniom teoretycznym).  Pod wpływem ciśnienia może ulec zmianie charakter przejścia fazowego ferromagnetyk-paramagnetyk. WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI …

29 (pod ciśnieniem normalnym) + 25 (pod ciśnieniem) = 54 (z 92 pierwiastków) kolor żółty kolor zielony C. Buzea, K. Robbie Supercond. Sci. Technol. 18 (2005) R1-R8 Nadprzewodnictwo diamentu domieszkowanego borem

Nadprzewodnictwo pierwiastków Nb: T C = 9.25 K (najwyższa T C pierwiastka) Li: T C = 20 K pod p = 50 GPa (najwyższa T C pierwiastka pod ciśnieniem, przejście do struktury o niższej symetrii) Si: T C = 8.5 K pod p = 12 GPa, Ge: T C = 5.4 K pod p = 11.5 GPa O: T C = 0.6 K pod p = 120 GPa, Fe: T C = 2.0 K pod p = 21 GPa nadprzewodnictwo B pod ciśnieniem M.I. Eremets et al. Science 293, 272 (2001) próbka ~ 20 m, elektrody pomiarowe ~2 m p  160 GPa, T C = 6 K, T C = 11.2 K pod p  250 GPa (!) Święty Graal: metaliczny H: p  400 GPa, T C = T R ) (500 GPa = 5 Mbar ciśnienie w środku Ziemi, p max w kowadłach diamentowych 560 GPa A.L. Ruoff, H. Luo, Recent Trends in High Pressure Research, ed. A.K. Singh, IBH, Oxford, 1992 ) Nadprzewodnictwo diamentu domieszkowanego borem

At T FI  150 K transition from FM insulating state to FM metallic Under pressure huge reduction in  (T) and shift of T FI towards lower temperatures Pressure enhances carrier itinerancy, stabilizes the metallic phase and widens the temperature region of the metallic phase La 1-x Ca x MnO 3 transport measurements PRESSURE EFFECTS ON MAGNETIC PROPERTIES ….

La 1-x Ca x MnO 3 magnetic measurements The difference between M FC and M ZFC decreases under pressure  increase of FM metallic regions at the expense of frustrated spin structures Under pressure M increases PRESSURE EFFECTS ON MAGNETIC PROPERTIES ….

La 1-x Ca x MnO 3 magnetic measurements 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 > 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 WPŁYW CIŚNIENIA NA MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI …