Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 7, стр. 936-939

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время значительный интерес исследователей вызывают соединения с электронной/структурной неустойчивостью, в которых интерференция нескольких конкурирующих между собой механизмов приводит к фазовому расслоению, возникновению сложных магнитных фаз и фазовых диаграмм [1]. При этом изучение таких систем с сильными электронными корреляциями, как манганиты, ВТСП-купраты и др., затруднено вследствие их многокомпонентного химического состава, сложных элементарной ячейки и кристаллической структуры.

Недавно при исследованиях каркасных стекол RB₁₂ [2] было обнаружено формирование динамических полос заряда (страйпов), которые возникают в матрице редкоземельных додекаборидов вследствие кооперативного динамического эффекта Яна–Теллера в борной подрешетке [3, 4]. Для магнитных додекаборидов Ho_xLu_1 – xB₁₂ было установлено возникновение значительной анизотропии рассеяния носителей заряда в магнитном поле в парамагнитном (Р) состоянии, ниже перехода в фазу каркасного стекла T < T* ≈ 60 К [5]. Авторами [5] было предложено объяснение указанной анизотропии зарядового транспорта, учитывающее, что движение носителей в динамических страйпах представляет собой высокочастотный (частота около 200 ГГц [6]) переменный ток, и, в результате, направления вдоль ($\vec {H}$ || [110]) и поперек ($\vec {H}$ || [001]) этих полос заряда оказываются выделенными во внешнем магнитном поле. Кроме того, согласно данным исследований оптической проводимости LuB₁₂ [7] при Т = 300 К, более половины зонных носителей заряда в додекаборидах являются неравновесными и участвуют в формировании коллективных состояний (“переторможенные осцилляторы”). В такой ситуации следует ожидать значительной модификации магнитной фазовой диаграммы в антиферромагнитных (AF) металлах Ho_xLu_{1– x}B₁₂ с непрямым обменом через электроны проводимости (РККИ-механизм), а также понижения симметрии зарядового транспорта в AF-фазе. Учитывая вышеизложенное, в работе с целью определения анизотропии магнитной фазовой диаграммы и рассеяния носителей в AF-фазе для различных направлений магнитного поля при Т₀ = 2.1 K < < T_N выполнено исследование магнетосопротивления однодоменного монокристаллического образца антиферромагнетика Ho_0.5Lu_0.5B₁₂ с температурой Нееля T_N ≈ 3.4 К [8].

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Прецизионные измерения поперечного магнетосопротивления Δρ/ρ в AF-фазе Ho_0.5Lu_0.5B₁₂ при температуре Т = 2.1 К выполнены во внешнем магнитном поле до 80 кЭ для различных ориентаций вектора $\vec {H}$ относительно главных кристаллографических направлений. В работе использовалась измерительная ячейка, которая позволяет изменять угол φ = между нормалью $\vec {n}$ к поверхности образца (110) и направлением внешнего поля $\vec {H}$ в диапазоне φ = 0°–360° с шагом Δφ = 1.8° (см. вставку на рис. 1). Удельное сопротивление измерялось стандартным 4-хконтактным методом на постоянном токе с коммутацией при ориентации измерительного тока $\vec {I}$ || [1–10 ]. Для уточнения фазовых границ на H–φ–T₀ диаграмме использовались также данные измерений температурных (рис. 1а–1в) и полевых (рис. 1г, 1д) зависимостей намагниченности и теплоемкости, полученные при Т₀ = 2.1 К в магнитном поле $\vec {H}$ || [100], $\vec {H}$ || [110] и $\vec {H}$ || [111], на установках MPMS-5 и PPMS-9 (Quantum Design), соответственно. Однодоменные монокристаллы Ho_0.5Lu_0.5B₁₂ для измерений анизотропии, аналогичные исследовавшимся в [8] для направления $\vec {H}$ || [100], были выращены методом вертикального индукционного бестигельного плавления в атмосфере инертного газа [9].

Рис. 1.

Температурные зависимости: а – удельного сопротивления; б – магнитной восприимчивости; в – теплоемкости, измеренные в широкой окрестности магнитного фазового перехода при T_N ≈ 3.4 K. Полевые зависимости; г – теплоемкости С(H, T₀ = 2.1 K): д – дифференциальной магнитной восприимчивости dM/dH = f(H, T₀ = 2.1 K), полученные вдоль различных направлений $\vec {H}$ || [100], $\vec {H}$ || [110] и $\vec {H}$ || [111]. Стрелками отмечены положение перехода антиферромагнетик-парамагнетик в магнитном поле H_N ~ 30 кЭ и ориентационные магнитные переходы в малых полях. На вставке к панели д показана схема измерений магнетосопротивления образца (см. текст).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1a–1в приведены температурные зависимости удельного сопротивления, магнитной восприимчивости и теплоемкости соответственно, измеренные в широкой окрестности магнитного фазового перехода. Как видно из этих рис., вблизи T_N ≈ 3.4 K на всех кривых наблюдается резкая особенность, связанная с переходом в AF-фазу. Измеренные в работе полевые зависимости теплоемкости С(H, T₀ = 2.1 K) и дифференциальной магнитной восприимчивости dM/dH = f(H, T₀ = = 2.1 K) (см. рис. 1г, 1д, соответственно) позволяют установить при H_N ~ 30 кЭ переход антиферромагнетик-парамагнетик в сильном магнитном поле вдоль различных направлений $\vec {H}$ || [100], $\vec {H}$ || [110] и $\vec {H}$ || [111], а также обнаружить ориентационные магнитные переходы в интервале 5–15 кЭ. На рис. 2 представлены полевые кривые магнетосопротивления, измеренные при температуре 2.1 К. Как видно из рис. 2а, в сильных полях H > H_N, отвечающих парамагнитному состоянию Ho_0.5Lu_0.5B₁₂, наблюдается значительная анизотропия положительного вклада в Δρ/ρ, которая, согласно [5], связана с формированием вдоль [110] динамических зарядовых страйпов в матрице RB₁₂. В AF-состоянии на кривых Δρ/ρ регистрируется набор особенностей различной амплитуды, обусловленных ориентационными фазовыми переходами (см. рис. 2б, 2в), а вблизи 30 кЭ наблюдается переход антиферромагнетик–парамагнетик. Перестроение данных рис. 2 в полярных координатах с цветовой визуализацией амплитуды магнетосопротивления позволяет выявить характер анизотропии рассеяния носителей заряда и по особенностям на кривых Δρ/ρ = f(H,φ₀,T₀) (рис. 2б, 2в) определить положение фазовых границ. На рис. 3а, 3б, соответственно, показаны общий вид анизотропии Δρ/ρ в AF и P-фазах и круговая фазовая H–φ–T₀-диаграмма в AF-состоянии исследуемого соединения. На рис. 3б показаны также фазовые границы, полученные нами из измерений намагниченности, теплоемкости (см. рис. 1г, 1д) и измерявшихся дополнительно угловых зависимостей магнетосопротивления Δρ/ρ(φ, Н₀,Т₀ = 2.1 К).

Рис. 2.

Полевые зависимости магнетосопротивления Ho_0.5Lu_0.5B₁₂ при температуре T = 2.1 К: а – в направлении внешнего магнитного поля $\vec {H}$ || [100], $\vec {H}$ || [110] и $\vec {H}$ || [111]; б, в – при отклонении поля $\vec {H}$ на угол φ относительно нормали $\vec {n}$ к плоскости образца (см. схему измерений на вставке к рис. 1д).

Рис. 3.

а – Круговая фазовая диаграмма магнетосопротивления Ho_0.5Lu_0.5B₁₂ при температуре T = 2.1 К в полярных координатах Н–φ; б – увеличенное изображение AF-области диаграммы в полях H ≤ 35 кЭ. Римскими цифрами обозначены номера фаз в AF-состоянии Ho_0.5Lu_0.5B₁₂. Горизонтальной и вертикальной стрелками, соответственно, показаны направления вдоль ($\vec {H}\left\| {\,\left\langle {110} \right\rangle } \right.$) и поперек ($\vec {H}\left\| {\,\left\langle {001} \right\rangle } \right.$) зарядовых страйпов (см. текст).

Как видно из рис. 3, круговая фазовая диаграмма антиферромагнетика Ho_0.5Lu_0.5B₁₂ имеет вид “мальтийского креста”, причем в широкой окрестности направления поперек страйпов ($\vec {H}$ || [001]) наблюдаются наибольшие значения положительного магнетосопротивления. Сектор в окрестности направления вдоль страйпов ($\vec {H}$ || [110]) характеризуется уменьшенными относительно $\vec {H}$ || [001] значениями Δρ/ρ, тогда как в окрестности $\vec {H}$ || [111] в магнитном поле выше 8 кЭ, напротив, наблюдается эффект отрицательного магнетосопротивления (см. рис. 2–3). Следует отметить, что вдоль указанных направлений регистрируются различающиеся между собой магнитоупорядоченные фазы (обозначены римскими цифрами на рис. 3б). Подчеркнем, что обусловленная присутствием динамических страйпов анизотропия зарядового транспорта в парамагнитной фазе (Н > 35 кЭ на рис. 2а, 3а) является определяющей, как при формировании круговой H–φ–T₀ фазовой диаграммы антиферромагнетика Ho_0.5Lu_0.5B₁₂, так и для возникновения особенностей рассеяния носителей в магнитном поле.

ВЫВОДЫ

Показано, что в антиферромагнитном металле Ho_0.5Lu_0.5B₁₂ с непрямым обменом между локализованными магнитными моментами ионов гольмия через электроны проводимости (РККИ-механизм) возникновение при низких температурах динамических зарядовых страйпов в матрице додекаборида приводит к формированию анизотропной фазовой диаграммы с большим разнообразием магнитных фаз. Отмечено, что анизотропия зарядового транспорта в магнитном поле и расположение фазовых границ на Н–φ диаграмме AF-состояния позволяют выделить три сектора, располагающиеся в окрестности трех основных направлений: i – вдоль страйпов ($\vec {H}$ || [110]); ii – поперек страйпов ($\vec {H}$ || [001]); iii – в направлении магнитной структуры ($\vec {H}$ || [111]).

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 17-12-01426).