Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2022, T. 504, № 1, стр. 26-31

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В работе исследовались монодоменные монокристаллические образцы Ho_0.8Lu_0.2B₁₂, выращенные в ИПМ НАН Украины методом бестигельного вертикального индукционного зонного плавления в инертной атмосфере аргона [18]. Измерения поперечного магнетосопротивления и эффекта Холла проводились в ИОФ РАН стандартным пятиконтактным методом с коммутацией постоянного тока через образец. В работе использовалась измерительная ячейка с образцом, обеспечивающая вращение относительно оси измерительного тока I || [$\bar {1}10$] с пошаговой фиксацией положения образца во внешнем перпендикулярном магнитном поле H напряженностью до 80 кЭ. Измерения проводились при температурах 2.1–4.2 К на монокристаллических образцах Ho_0.8Lu_0.2B₁₂ с двумя различными направлениями нормали к поверхности образца n || [001] и n || [110], вращение вектора Н на угол φ = ∠n,H в диапазоне φ = 0–360° осуществлялось в плоскости ($\bar {1}10$) (см. схему на рис. 1).

Рис. 1.

Схема вращения образца при измерениях эффекта Холла и схема формирования динамических зарядовых страйпов в ГЦК решетке редкоземельных додекаборидов RB₁₂. Приведено распределение электронной плотности в страйповой фазе для плоскости (001) из работы [20].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 2 представлено сравнение измеренных угловых кривых удельного ρ(φ) и холловского ρ_H(φ) сопротивления в полях 35 и 50 кЭ для нормали n || [001] при Т = 2.1 К и для нормалей n || [001] и n || [110] в поле 30 кЭ при Т = 4.2 К. Следует подчеркнуть, что все приведенные в работе угловые зависимости холловского сопротивления ρ_H(φ) были скорректированы путем вычитания вклада от магнетосопротивления (см., например, [19]), возникающего за счет не эквипотенциального расположения холловских контактов на образце. Для всех исследованных образцов вклад магнетосопротивления не превышал 2% от величины регистрируемого холловского сигнала. Положение фазовых границ (см. нумерацию фаз римскими цифрами на рис. 3 и на H–T магнитных фазовых диаграммах в [16]) зависит от направления (угол φ) и напряженности H внешнего магнитного поля; на рис. 2 эти границы показаны схематически черными пунктирными линиями. Легко видеть, что основные особенности на кривых ρ(φ) (рис. 2а, 2в и рис. 2д, 2ж) воспроизводятся также на кривых ρ_H(φ) (рис. 2б, 2г и рис. 2е, 2з). Так, положению радиальных фазовых границ вдоль 〈112〉 (см. обозначения в верхней части рис. 2) отвечают как резкие аномалии на кривых ρ(φ), так и особенности в виде ступенек на зависимостях ρ_H(φ) (рис. 2). Указанные радиальные границы отделяют область максимальных значений магнетосопротивления в широкой окрестности направления 〈001〉 (см. рис. 3) и отвечают переходам между фазами II–III и VIII, которые наблюдаются в широком диапазоне магнитных полей (см. также [16]). Аналогично, положение сингулярностей на кривых ρ(φ) вблизи H || 〈221〉 совпадает с положением схожих с ними особенностей на холловских кривых ρ_H(φ) (см. рис. 2). Указанные аномалии наблюдаются на границах сектора, отвечающего окрестности направления 〈110〉 (переходы между фазами V и VIII, см. рис. 3), вдоль которого в РЗ додекаборидах формируются динамические зарядовые страйпы [4, 16, 17, 19].

Рис. 2.

Угловые зависимости удельного ρ(φ) и холловского ρ_H(φ) сопротивления в полях 35 кЭ (a, б) и 50 кЭ (в, г) при температуре 2.1 К для нормали n || [001], и в поле 30 кЭ при температуре 4.2 К для нормалей n || [110] (д, е) и n || [001] (ж, з). Синими пунктирными линиями обозначено положение новых фазовых границ, обнаруженных в холловских экспериментах. Римскими цифрами обозначены различные магнитоупорядоченные фазы.

Рис. 3.

Угловые H–φ-магнитные фазовые диаграммы при температурах 2.1 К (а) и 4.2 К (б) в плоскости ($\bar {1}10$). Римскими цифрами приведена нумерация магнитоупорядоченных фаз, которая соответствует H–T-магнитным фазовым диаграммам, построенным в [16]. Найденные в работе новые фазовые переходы и аномалии эффекта Холла отмечены голубыми ромбами, толстыми черными сплошными линиями показаны новые фазовые границы.

На рис. 2д–2з для сравнения приведены кривые ρ(φ) и ρ_H(φ) в фиксированном поле 30 кЭ при Т = 4.2 К для двух различных нормалей n || [001] и n || [110] в плоскости ($\bar {1}10$) (см. схему на рис. 1). Как видно из рис. 2д–2з, угловые положения фазовых границ вблизи углов, отвечающих наиболее сильным изменениям сопротивления (рис. 2д, 2ж), заметно отклоняются от направлений 〈112〉 и 〈221〉 (рис. 3б). Отметим также, что при Т = 4.2 К в узком интервале углов вблизи направлений 〈110〉 на угловых зависимостях удельного сопротивления формируется дополнительная особенность в виде симметричного прямоугольного пика малой амплитуды, склоны которого соответствуют переходам в фазу VI (рис. 2д, 2ж). При этом на кривых холловского сопротивления ρ_H(φ) в этой области также наблюдаются резкие аномалии в виде несимметричной двухступенчатой особенности (рис. 2е), либо узкого пика (рис. 2з).

Очевидно, синхронное появление сингулярностей на кривых удельного сопротивления ρ(H₀, φ₀) и холловского сопротивленияρ_H(H₀, φ₀) (рис. 2) свидетельствует о наличии резких фазовых границ на Н–Т- и Н–φ-диаграммах Ho_0.8Lu_0.2B₁₂. При этом, наряду с отмеченными выше синхронными аномалиями ρ и ρ_H заметной амплитуды, которые отвечают ориентационным фазовым переходам [16], угловые кривые холловского сопротивления позволяют зарегистрировать и новые, дополнительные фазовые границы. Действительно, вместе с едва заметными особенностями на кривых удельного сопротивления ρ(φ) вблизи направлений 〈001〉 ± 15° при температуре 2.1 К в поле 35 кЭ (рис. 2a) на зависимостях холловского сопротивления ρ_H(φ) регистрируются заметные “ступеньки” (рис. 2б), положение которых, по-видимому, отвечает границам новой фазы IIa (см. рис. 3a). Аналогично, дополнительная фазовая граница наблюдается и при Т = 4.2 К в поле 30 кЭ в тех же направлениях магнитного поля Н || 〈001〉 ± ± 15° (рис. 3б). Положения соответствующих особенностей ρ_H(φ) обозначены синими пунктирными линиями на рис. 2. С ростом поля отвечающая фазе IIa (см. также IIIa на рис. 3а и 3б) область на Н–φ-диаграмме расширяется (граница показана голубыми ромбами и линиями на рис. 3). С учетом экспериментальной погрешности в позиционировании образца по углу, найденные нами дополнительные фазовые границы представляют собой близкие к радиальным отрезки, которые в малых полях начинаются от границы с фазой I и заканчиваются при переходе в фазу X (рис. 3).

Отдельно следует отметить особенности на кривых ρ_H(φ), которые наблюдаются в непосредственной близости от 〈110〉 и 〈001〉 (см., например, рис. 2б, г, з), совпадающих, соответственно, с направлениями магнитного поля вдоль и перпендикулярно динамическим зарядовым страйпам в кристалле Ho_0.8Lu_0.2B₁₂. Поскольку похожее поведение холловского сопротивления наблюдалось ранее [19] в реперном диамагнитном соединени LuB₁₂, представляется естественным и в АФ металле Ho_0.8Lu_0.2B₁₂ связать указанные аномалии вблизи Н || 〈110〉 и Н || 〈001〉 с особенностями взаимодействия страйпов с внешним магнитным полем. Однако отсутствие теоретических моделей для описания неравновесных АФ металлов с электронным фазовым расслоением и филаментарной структурой проводящих каналов в настоящее время не позволяет выполнить более детальный анализ свойств СКЭС, исследуемой в настоящей работе.

ВЫВОДЫ

Таким образом, в антиферромагнитном металле Ho_0.8Lu_0.2B₁₂ с электронным фазовым расслоением на основе проведенного сравнительного анализа угловых зависимостей удельного ρ(φ) и холловского ρ_H(φ) сопротивления обнаружены новые магнитоупорядоченные фазы и аномалии резистивных характеристик, возникающие вблизи направлений поля вдоль (H || 〈110〉) и поперек (H || 〈001〉) динамических зарядовых страйпов. На примере Ho_0.8Lu_0.2B₁₂ продемонстрировано, что в ряде случаев именно эффект Холла оказывается наиболее чувствительным методом определения фазовых границ на магнитной фазовой диаграмме.