Известно, что в видимом диапазоне длин волн вклад в магнитооптические эффекты, обусловленный редкоземельными (РЗ) ионами, определяется в основном межконфигурационными 4fⁿ-> 4f^n-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 4f^n-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(omega_L²-omega²)^-1 [ ( (2-g)/(g) ) M₀-M_VV ] &  x_LC(L,L₁), (1) где M₀ - намагниченность, возникающая за счет различной заселенности состояний основного мультиплета РЗ-иона, M_VV - ван-флековская составляющая намагниченности, g - фактор Ланде основного мультиплета, L,L₁ - соответственно квантовые числа орбитального момента актуального терма 4f^n-15d-конфигурации и основного терма ее 4f^n-1-остова, omega_L - частота соответствующих переходов, C(L,L₁) - константа, пропорциональная силе осциллятора данного перехода, omega - частота наблюдения (omega<< omega_L). 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 ⁶H_5/2 (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-chi_VV~= 6chi₀-chi_VV, (2) где chi=M/H - магнитная восприимчивость. Поскольку в SmGG при T>50 K chi_VV>chi₀ [4], формула (2) предполагает существенное различие в ходе температурных зависимостей V(Sm) и магнитной восприимчивости chi=chi₀+chi_VV. [!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, lambda_L=2pi c/omega_L 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 M_VV<< 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.

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.