Научный руководитель: Никитин Сергей Александрович, професор

Целью данной работы явилось исследование магнитострикции в области магнитного фазового перехода в монокристалле Lu₂Fe₁₇. Соединение Lu₂Fe₁₇ принадлежит ряду соединений R₂Fe₁₇. Характерной особенностью соединений R₂Fe₁₇ является сильная зависимость магнитных свойств от межатомных расстояний и атомного объема, что проявляется в значительном по величине смещении температуры магнитного упорядочения T_C при действии давления и также в большой величине магнитострикции в соединениях R₂Fe₁₇. В соединении Lu₂Fe₁₇, отсутствует магнитный момент редкоземельной подрешетки, поэтому исследование магнитных свойств этого соединения дает информацию о магнетизме подрешетки железа.

Измерение магнитострикции проводилось тензометрическим методом на монокристаллических образцах соединения Lu₂Fe₁₇. Образцы имели форму диска, плоскость которого совпадала с кристаллографической плоскостью, содержащей оси a и c. Тензометрические датчики наклеивались на поверхность монокристаллического образца вдоль кристаллографических осей [001] и [100]. Для получения детальной информации о магнитострикции Lu₂Fe₁₇ нами были исследованы температурные и полевые зависимости продольной и поперечной магнитострикции в интервале температур 78-300 K в магнитных полях до 12 kOe, приложенных параллельно и перпендикулярно гексагональной оси c - [001].

Измерения показали, что наибольшую величину имеет магнитострикция l _ac (первый нижний индекс обозначает направление приложенного поля, второй - направление измерения магнитострикционной деформации), в то время как магнитострикция в базисной плоскости значительно меньше. Поле, приложенное в базисной плоскости, вызывает анизотропную деформацию кристаллической решетки, причем межатомные расстояния вдоль оси c увеличиваются значительно сильнее, чем в базисной плоскости, при этом знак магнитострикционных деформаций в обоих направлениях положителен, что указывает на возрастание объема образца в магнитном поле.

На Рис. 1 представлена температурная зависимость объемной магнитострикции в поле вдоль оси a (w _a = l _ac + 2l _cc), найденная по экспериментальным данным для l _cc(H) и l _ac(H). Обращает на себя внимание, что при нагревании образца магнитострикция сильно возрастает при приближении к температуре Кюри T_C = 298 K. Температура максимума T_max зависит от величины магнитного поля, при этом T_max тем ниже, чем выше H. Подробный анализ и математическая обработка экспериментальных кривых позволили сделать вывод, что обменные взаимодействия дают изотропные вклады в магнитострикционную деформацию, которые не зависят от направления вектора намагниченности, в то время как одноионные взаимодействия вносят анизотропные вклады, зависящие от направления вектора намагниченности.

Трехвалентный ион Lu³⁺ не обладает парамагнитным моментом вследствие того, что 4f-электронная подоболочка иона лютеция полностью заполнена, поэтому магнитный момент соединения Lu₂Fe₁₇ образован только магнитными моментами ионов Fe. Представляет интерес провести сравнение свойств Lu₂Fe₁₇ и соединения Y₂Fe₁₇, исследованным ранее [1], в котором магнетизм также определяется подрешеткой железа, а кристаллографическая структура является аналогичной. Однако температуры Кюри этих соединений отличаются приблизительно на 80 K.

Для выяснения физических механизмов, отвечающих за столь значительную разность температур Кюри, обратимся к эффектам, которые дают информацию о зависимости обменного интеграла от атомного объема. К таким эффектам следует отнести смещение T_C с давлением dlnT_C/dp и объемную магнитострикцию w = dV/V.

Объемы элементарных ячеек отличаются у Y₂Fe₁₇ и Lu₂Fe₁₇ на величину dV/V = 1.6· 10^-2. Изменение температуры Кюри можно рассчитать опираясь на экспериментальные величины dlnT_C/dp = -12.6· 10^-3 kBar^-1 и ж = 1.05· 10^-3 kBar^-1 для Y₂Fe₁₇ [2] по следующей формуле

D T_C = -(T_{C/ ж} )(dV/V)dlnT_C/dp = 74 K.

Полученное значение D T_C близко к разности температур Кюри Y₂Fe₁₇ и Lu₂Fe₁₇. Следовательно, можно сделать вывод о том, что уменьшение величины T_C у Lu₂Fe₁₇ по сравнению с Y₂Fe₁₇ обусловлено уменьшением интеграла обменного взаимодействия вследствие уменьшения атомного объема.

Как показывают наши измерения, магнитострикция в Lu₂Fe₁₇ имеет максимальные значения вблизи температуры магнитного фазового перехода, где наибольший вклад в намагниченность дает парапроцесс. Вклад процессов вращения и смещения доменных границ, в магнитострикцию Lu₂Fe₁₇ незначителен в исследованном нами интервале температур. Проведенный нами расчет показывает, что анизотропные одноионные вклады в индуцированную полем магнитострикцию сравнимы по величине с изотропными двухионными обменными вкладами.