2015: Исследования магнитных и магнитотепловых свойств тяжелых редкоземельных металлов привели к открытию новых, ранее не изученных фаз на магнитных фазовых диаграммах этих материалов

Научная группа проф. Александра Тишина и к.ф.-м.н. В.И.Зверева (кафедра общей физики и физики и конденсированного состояния, физический факультет МГУ), занимающаяся исследованием новых функциональных материалов, в 2015 г. завершила цикл комплексных исследований магнитных и магнитотепловых свойств ряда сверхвысокочистых монокристаллов тяжелых редкоземельных металлов в области температур 4,2-350 К в постоянных магнитных полях до 10 Тл.

Редкоземельные металлы (РЗМ) и их сплавы вызывают неослабевающий интерес исследователей вот уже более пятидесяти лет. Наибольший интерес с точки зрения физики магнетизма представляют так называемые тяжелые РЗМ: металлы, стоящие в ряду лантаноидов после гадолиния. Уникальные магнитные свойства, а именно, наибольшие среди всех элементов Периодической системы величины магнитных моментов атомов этих металлов в совокупности с большой перспективой практического применения являются причиной активного исследования их свойств: число научных публикаций, посвященных редкоземельным магнетикам и их сплавам, неизменно растет, начиная с 1950-х гг., что способствует все более глубокому пониманию физики магнитных явлений РЗМ и их сплавов. Изучение свойств РЗМ также имеет большое прикладное значение, так как указанные металлы, их сплавы и соединения широко используются во всех областях современной техники.

Подробное изучение магнитотепловых свойств этих металлов с использованием целой серии различных экспериментальных методик в случае магнитных полей, приложенных вдоль различных кристаллографических направлений, на высокочистых монокристаллических образцах до сих пор не проводилось. Подобное изучение магнитных и тепловых свойств высокочистых монокристаллов имеет фундаментальное значение, так как на характер магнитной фазовой диаграммы существенным образом влияет концентрация H, C, O, N и F, когда она превышает несколько сотен весовых ppm.

Группа ученых возглавляемая проф. Александром Тишиным и кф.-м.н. Владимирым Зверевым по исследованию новых функциональных материалов (в состав которой в настоящее время входят студенты, аспиранты и сотрудники физического факультета, а также группы компаний AMT&C) на протяжении многих лет (совместно с Университетом штата Айова) ведет систематические исследования высокочистых редкоземельных металлов и их соединений с целью практического применения результатов исследований в области магнитного охлаждения и биомедицинских технологий магнитной гипертермии и управляемого сброса лекарственного вещества с поверхности имплантата.

Ряд новых важных результатов, полученных научной группой, опубликованы в 1998-2015 гг. в высокорейтинговых журналах:

1. Было показано, что наличие примесей в монокристаллическом гадолинии расширяет температурный диапазон фазового перехода ферромагнетик-парамагнетик, а также подавляет спин-переориентационный переход, который наблюдается на образцах высокой частоты [1].
2. В монокристаллическом диспрозии была открыта новая магнитная фаза веерного типа. Ее существования было подтверждено теоретически с помощью соотношений Ландау-Гинзбурга [2].
3. Построена уточненная фазовая диаграмма монокристалла тербия в базисной плоскости. Обнаружено, что критическое поле существования геликоидального антиферромагнитного (ГАФМ) упорядочения составляет 155 Э, что меньше значений 300 – 800 Э, опубликованных ранее. Установлено, что ГАФМ структура существует в тербии в диапазоне температур от 221 до 228 K. Магнитная фаза веерного типа наблюдается в том же самом температурном диапазоне в интервале магнитных полей от 155 Э до 5 кЭ [3].
4. Продемонстрировано аномальное поведение спиновой поляризации P и параметра поверхности контакта сверхпроводник/ферромагнетик Z в зависимости от сопротивления контакта в магнитно неоднородных системах – монокристалле и тонкой пленке гольмия. С помощью экспериментальной методики Андреевской спектроскопии установлено существование структуры типа конус в гольмии при температуре ниже 20 К в слабых магнитных полях [4].
5. Построена уточненная фазовая диаграмма монокристалла гольмия в базисной плоскости. Точно определены границы трех новых областей существования структур типа спин-слип в интервалах температур 20-35 K, 35-42 K, и 95-110 K. Показано, что в диапазоне 40-120 K и 20-80 кЭ существует промежуточная фаза типа «ферро+веер». Таким образом, в гольмии были открыты новые магнитные фазы и структуры, занимающие большое количество слоев магнитной подрешетки. Влияние внешнего магнитного поля на периодические структуры оказалось весьма необычным при наличии спиновых кластеров, в которых часть магнитных моментов параллельна направлению поля, а часть - антипараллельна (модулированные структуры). В данном случае в материале происходит переход к структуре типа спин-слип (спинового проскальзывания). Появление таких структур связано с дополнительной модуляцией периодической магнитной структуры в областях несоизмеримости кристаллической и магнитной подрешеток. Такие изменения магнитной структуры являются достаточно тонкими: их выявление возможно только с помощью применения комплексных методов исследования на высокочистых образцах[5].

Результаты данной работы были опубликованы в статьях: 

1. S.Yu. Dan'kov, A.M. Tishin, K.A. Gschneidner, Jr., V.K. Pecharsky, Magnetic phase transitions and the magnetothermal properties of gadolinium, Phys. Rev. B 54, 3478 (1998). 
2. A.S. Chernyshov, А.O. Tsokol, A.M. Tishin, K.A. Gschneidner, Jr., V.K. Pecharsky, Magnetic and magnetocaloric properties and the magnetic phase diagram of single-crystal dysprosium, Phys. Rev. B 71, 184410 (2005). 
3. V.I. Zverev, A.M. Tishin, A.S. Chernyshov, Ya. Mudryk, K.A. Gschneidner, Jr., V.K. Pecharsky, Magnetic and magnetothermal properties of single crystalline terbium along the easy crystallographic axis, J. Phys.: Cond. Matter 26, 066001 (2014). 
4. I. T. M. Usman, K. A. Yates, J. D. Moore, K. Morrison, V. K. Pecharsky, Gschneidner, T. Verhagen, J. Aarts, V. I. Zverev, J. W. A. Robinson, J. D. S. Witt, M. G. Blamire, L. F. Cohen, Evidence for spin mixing in holmium thin film and crystal samples, Phys. Rev. B 83, 144518 (2011). 
5. V.I. Zverev, A.M. Tishin, Zou Min, Ya. Mudryk, K.A. Gschneidner, Jr., V.K. Pecharsky, Magnetic and magnetothermal properties of single crystalline terbium along the easy magnetization direction, J. Phys.: Cond. Matter 27, 146002 (2015).