Издателям
Вышедшие номера
Эффект Фарадея в Sm3Ga5O12 при низких температурах
Соколов Б.Ю.1
1Ташкентский государственный университет, Ташкент, Узбекистан
Поступила в редакцию: 19 марта 1997 г.
Выставление онлайн: 19 сентября 1997 г.

Известно, что в видимом диапазоне длин волн вклад в магнитооптические эффекты, обусловленный редкоземельными (РЗ) ионами, определяется в основном межконфигурационными 4fn-> 4fn-15d-переходами, которые в трехвалентных РЗ-ионах в кристаллах имеют энергии ~ 5· 104-105 cm-1. На длинноволновом крыле этих переходов в первом приближении можно пренебречь расщеплением уровней 4fn-15d-конфигурации РЗ-иона (приближение Джада--Офельта). В этом случае вклад РЗ-ионов в эффект Фарадея (ЭФ) в приближении LS-связи представляется в виде [1,2] [b] Phi&=omega(omegaL2-omega2)-1 [ ( (2-g)/(g) ) M0-MVV ] &  xLC(L,L1), (1) где M0 --- намагниченность, возникающая за счет различной заселенности состояний основного мультиплета РЗ-иона, MVV --- ван-флековская составляющая намагниченности, g --- фактор Ланде основного мультиплета, L,L1 --- соответственно квантовые числа орбитального момента актуального терма 4fn-15d-конфигурации и основного терма ее 4fn-1-остова, omegaL --- частота соответствующих переходов, C(L,L1) --- константа, пропорциональная силе осциллятора данного перехода, omega --- частота наблюдения (omega<< omegaL). Для большинства РЗ-ионов вклад РЗ-подсистемы в фарадеевское вращение кристалла непротиворечиво описывается формулой (1) (см., например, [3]). Исключение составляет ион Sm3+. С одной стороны, как это показано в [4], в спектральной области 0.5-0.7 mum ЭФ в Sm3Ga5O12 (SmGG) в пределах экспериментальных ошибок не зависит от температуры в интервале 85-600 K, а константа Верде V=Phi/H этого граната практически совпадает по величине с константой Верде диамагнитного граната YGG. Аномально малая магнитооптическая активность Sm3+ связывалась в [4] с тем, что, согласно расчетам, вклады в ЭФ от переходов из состояний основного мультиплета 6H5/2 (g=2/7) иона Sm3+ на термы 6G, 6H, 6I его 4f45d-конфигурации, возникающие из основного терма 4f4-остова (L1=6) и состояний 5d-электрона, полностью компенсируют друг друга (т. е. для этих переходов LC(L,L1)=0). С другой стороны, по данным [5,6], в ближней инфракрасной (ИК) области спектра ЭФ в Sm3Fe5O12 значительно отличается по величине от ЭФ в Y3Fe5O12, что, несомненно, указывает на существенный вклад Sm3+ в фарадеевское вращение в феррите-гранате. Наблюдаемое поведение ЭФ в Sm3Fe5O12 удалось описать в [7] с использованием выражения (1) при учете электродипольных переходов на термы 4f45d-конфигурации Sm3+, происходящих из возбужденных термов 4f4-остова (с L=4, 3, 2). Из расчетов, выполненных в [7], в частности, следует, что вклад Sm3+ в константу Верде SmGG станет заметным лишь при достаточно низкой температуре (T<15 K). Однако нельзя исключить, что вращение РЗ-подрешетки в Sm3Fe5O12 в ИК-области связано с оптическими переходами иной природы, например с магнитодипольными (гиромагнитный ЭФ) или с f-> f-переходами, расположенными вблизи 1 mum [5]. С целью выяснения природы фарадеевского вращения, обусловленного ионом Sm3+, и проверки концепции работы [7] были проведены экспериментальные исследования ЭФ в SmGG в области температур 4.2-80 K, результаты которых представлены далее. Для исследований использовался монокристаллический образец граната SmGG размером ~ 3x 4x 0.2 mm, плоскость которого ориентировалась параллельно кристаллографической плоскости (111). Измерения ЭФ были выполнены на длине волны lambda=0.63 mum в постоянном магнитном поле напряженностью до 17 kOe методом непрерывно вращающегося анализатора [8]. Как показали измерения, в отличие от высокотемпературной области ЭФ исследованного граната в интервале температур 4.2-80 K зависит от температуры и при T~ 20 K меняет знак (см. рисунок). Если предположить, что константа Верде SmGG определяется аддитивной суммой вкладов РЗ-ионов и диамагнитных ионов матрицы, имеющих противоположные знаки, то это означает, что при T~ 20 K РЗ-вклад в фарадеевское вращение равен ЭФ, обусловленному кристаллической матрицей граната, который приближенно можно считать не зависящим от температуры и совпадающим по величине с ЭФ в YGG. В рамках такой модели из (1) вытекает, что изменение с температурой вклада Sm3+ в ЭФ, определяемого как V(Sm)=V(SmGG)-V(YGG), должно описываться функцией ( (2-g)/(g) ) chi0-chiVV~= 6chi0-chiVV, (2) где chi=M/H --- магнитная восприимчивость. Поскольку в SmGG при T>50 K chiVV>chi0 [4], формула (2) предполагает существенное различие в ходе температурных зависимостей V(Sm) и магнитной восприимчивости chi=chi0+chiVV. [!t] Температурная зависимость константы Верде граната Sm3Ga5O12 при lambda=0.63 mum. На вставке --- температурные зависимости нормированного вклада иона Sm3+ в константу Верде V=V(T)/V (T=4.2 K) (сплошная линия --- расчет по формуле (2), точки --- эксперимент) и нормированной величины магнитной восприимчивости chi=chi(T)/chi (T=4.2 K) (штриховая линия). Температурная зависимость определенного таким образом вклада V(Sm) в константу Верде SmGG, нормированного к своему значению при T=4.2 K, представлена на вставке к рисунку. При этом для T>80 K данные по ЭФ были взяты из [4], а величина V(YGG)=0.04 min /cm·Oe --- из [9]. Там же показаны зависимости V(T)=V(T)/V (T=4.2 K) и chi=chi(T)/chi (T=4.2 K). Видно, что во всем температурном интервале 4.2-600 K экспериментальная и теоретическая зависимости V(T) вполне удовлетворительно согласуются между собой, т. е. можно заключить, что в видимой и ближней ИК-областях спектра ЭФ, обусловленный Sm3+, определяется электродипольными 4f5-> 4f45d-переходами, хотя вклад наиболее низкоэнергетичных из них, по-видимому, не существен. Это подтверждается анализом частотной зависимости ЭФ в SmGG из [4]: найденная по формуле (1) из дисперсии вклада V(Sm) длина волны переходов, ответственных за наблюдаемое вращение, lambdaL=2pi c/omegaL оказалось ~ 0.12 mum, тогда как из оптических исследований известно, что собственные длины волн первых 4f5-> 4f45d-переходов в Sm3+ в гранате ~ 0.2 mum [10]. Возвращаясь к рисунку подчеркнем, что в отличие от большинства других РЗ-ионов, для которых при T=< 300 K MVV<< M0 (вдали от парамагнитного насыщения M0) и температурная зависимость обусловленного ими фарадеевского вращения с хорошей точностью следует зависимости M(T), вклад Sm3+ в ЭФ оказывается не пропорциональным его вкладу в намагниченность кристалла.
  • У.В. Валиев, А.А. Попов, Б.Ю. Соколов. Опт. и спектр. 61, 5, 1141 (1986)
  • А.С. Москвин, В.М. Плещеев. Опт. и спектр. 64, 4, 721 (1988)
  • K.M. Mukimov, B.Yu. Sokolov, U.V. Valiev. Phys. Stat. Sol. (a) 119, 307 (1990)
  • У.В. Валиев, А.А. Клочков, В. Неквасил, А.И. Попов, Б.Ю. Соколов. ФТТ 29, 6, 1640 (1987)
  • Г.С. Кринчик, В.С. Гущин, Н.И. Цидаева. ЖЭТФ 86, 2, 700 (1984)
  • M. Guillot, H. le Gall, J.M. Desvignes, M. Artinian. IEEE Trans. Magn. 22, 1239 (1986)
  • О.А. Дорофеев, А.К. Звездин, А.И. Попов. ФТТ 38, 10, 3012 (1996)
  • С.Ш. Гольдштейн, К.М. Мукимов, Г.П. Сигал, Б.Ю. Соколов. ПТЭ, 6, 113 (1992)
  • У.В. Валиев, А.А. Клочков, А.И. Попов, Б.Ю. Соколов. Опрт. и спектр. 66, 3, 613 (1989)
  • М.Л. Мейльман, А.Т. Коломийцев, З.М. Баскакова, Х.С. Багдасаров, А.Н. Кеворков. ЖПС 43, 5, 782 (1985)
  • Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

    Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.