Исследование фазовых переходов в сплавах Cu (1-x) Mn x и (Pd 1-x Fe x ) 0.95 Mn 0.05 с помощью μSR-метода. Котов С.А. Лаборатория мезонной физики конденсированных. - презентация

1 Исследование фазовых переходов в сплавах Cu (1-x) Mn x и (Pd 1-x Fe x ) 0.95 Mn 0.05 с помощью μSR-метода. Котов С.А. Лаборатория мезонной физики конденсированных сред ОФВЭ

2 1. μSR-установка. μSR-метод. 2. Исследование магнитных свойств гомогенных медно-маргонцевых сплавов. Интегральный метод. Анализ временных спектров. 3. Исследование магнитных свойств сплава (Pd 1-x Fe x ) 0.95 Mn 0.05 X= Выводы План доклада

3 µ-канал Ф1 ФЭУ ПТЭ, том 50, 6, 2007, стр. 36 – 42. Параметры μSR-установки: угловой захват е + от распада мюонов, остановившихся в мишени 0,5 стерадиан; температурный диапазон 10 ÷ 300 К; возможность работы работать во внешних поперечных магнитных полях до 1,5 кГс; анализируемый временной интервал с момента остановки мюона 10 нс ÷ 10 мкс с точностью 0,8 нс. Физические параметры μ-канала: интенсивность 10 5 с -1 ; P μ + = 70 ÷ 130 МэВ/с; продольная поляризация мюонов 95%; максимальный размер пучка Ø 40 мм; размер исследуемых образцов Ø20÷50 мм с толщиной по пучку 4 ÷ 10 г/см 2. Схема μSR-установки на μ-канале Кольца Гельмгольца Криостат коллиматор Компенсирующие катушки Ф2

4 μSR-установка: криостат Окна криостата: теплые 40мкм холодные 100мкм Ø мм Размер исследуемых образцов Ø20-60мм * 10мм Диапазон рабочих температур 5-300К. Точность установки температуры 0.5К Стабильность по температуре ±0.1К

5 μSR-установка на μ-канале

6 µSR- метод : Временные распределения позитронов N e (t), образовавшиеся при распаде: N 0 – нормировочная константа; τ μ ~ 2,197*10 -6 с – время жизни мюона; a s, a f – асимметрия распада мюонов, остановившихся в образце (а s ) и её фоновая компонента (а f ) (в основном в стенках криостата); G s (t), G f (t) – соответствующие функции релаксации описывающие поведение поляризации для мюонов остановившихся в образце и фоновых источниках; Ф – фон случайных совпадений; Полная начальная асимметрия: a tot = a s + a f

7 Интегральный метод μ+μ+ e+e+ n0n0 nene N e ~ 1/n 0 *(N e (t)dt) 1.Отсутствие деполяризации (парамагнитное состояние) => N e = 1 Н=0 N e = 0 H>0 2.Сильная спиновая динамика, быстрая релаксация => N e = 0 H=0 3. Магнитоупорядоченное состояние,медленная релаксация, изотропное распределение полей => Ne(norm) =

8 Исследование магнитных свойств гомогенных медно-марганцевых сплавов

9 Фазовая диаграмма * (на момент наших исследований) * Е.З.Винтайкин и др.,//Известия ВУЗов, физика,1985, 5,104 Е.З.Винтайкин и др.,//Физика металлов и металловедение, 1977, 44 (Вып.5), Область исследования Р -парамагнитная область AF- область антиферромагнетика SG- область спинового стекла. При х>0.6 эффект памяти формы. При х>0.8 совпадение температуры мартенситного и магнитного переходов.

10 Cu 0.2 Mn 0.8, P AF SG Сильная динамическая деполяризация мюонов H=580Гс

11 Cu 0.83 Mn 0.17, H=0 P SG Сильная деполяризация мюонов

12 Cu Mn 0. 45, H=0 P SG Фазовое состояние. Сильная спиновая динамика и флуктуационный характер, и большая величина локальных магнитных полей.

13 Фазовая диаграмма гомогенных медно-марганцевых сплавов Cu 1-x Mn x круглые светлые точки– для высокотемпературного перехода; квадратные темные точки– для низкотемпературного перехода. ФТТ, том 49, вып. 9, 2007, стр На приведенной фазовой диаграмме сплошной линией указаны границы между состояниями (P) парамагнетик– антиферромагнетик (AF) – спиновое стекло (SG), построенные на основании известных мировых данных. Данные настоящей работы указаны в виде точек: Штриховая линия показывает границу существования нового фазового состояния между парамагнитной и спин-стекольной фазой.. Фазовая диаграмма дополненная μSR-исследованиями

14 Анализ временных спектров (описание функции релаксации) G s (t) = exp(-λt) G s (t) = [ + (1-Δ · t) · exp(-Δ · t)] · exp(-λ D t) Концентрированное спиновое стекло. В.П.Коптев, Н.А.Тарасов. Препринт ЛИЯФ-1313, 1987, 20 с. Парамагнетик Спиновое стекло 300К 20К

15 На рисунке демонстрируется поведение параметров, D и в зависимости от температуры образца. Видим два магнитных перехода первый при температуре образца 200 K, второй в области температур ( ) K. Следует отметить, что параметр статического поля можно получить из обработки экспериментальных данных только при условии, что D, при этом с уменьшением D растёт достоверность определения параметра Представленные результаты показывают, что в гомогенных сплавах Cu 1-x Mn x в широкой области концентраций при температурах 100 ÷ 200 K существует фазовый переход в некоторое магнитное состояние. Эта фаза возникает независимо от вида более высокотемпературного состояния пара – или антиферромагнитного. Она характеризуется значительной неоднородностью локальных полей, что, связано с отсутствием дальнего магнитного порядка. Exp(-λt) exp(-λt) SG

16 Таким образом, полученные данные позволяют существенно дополнить магнитную фазовую диаграмму гомогенных медно-марганцевых сплавов Cu 1-x Mn x, которая принимает вид, характерный для систем с конкурирующим обменным взаимодействием. Фазовая диаграмма гомогенных медно-марганцевых сплавов Cu 1-x Mn x круглые светлые точки– для высокотемпературного перехода; квадратные темные точки– для низкотемпературного перехода. ФТТ, том 49, вып. 9, 2007, стр Physica B (2000) ЖТФ, т. 66, 11, стр , На приведенной фазовой диаграмме сплошной линией указаны границы между состояниями (P) парамагнетик– антиферромагнетик (AF) – спиновое стекло (SG), построенные на основании известных мировых данных. Данные настоящей работы указаны в виде точек: Штриховая линия показывает границу существования нового фазового состояния между парамагнитной и спин-стекольной фазой.

17 Исследование магнитных свойств сплава (Pd 1-x Fe x ) 0.95 Mn 0.05 x=0,016

18 Температурные зависимости угла поворота Ф (а) и деполяризации – ln(/D/) (б). Поляризованные нейтроны (Pd x Fe 1-x ) 0,95 Mn 0,05 1. Из макроскопических исследований известно два перехода: Т = 39 К (PFM), Т = 7 ÷ 10 К (FM SG). Исследования поляризованными нейтронами показывают наличие значительной спин-стекольной составляющей. Подтверждение этого требует привлечение других методов. (G.P.Gordeev et al., Phys. B 335 (2003) ) 2.Используя результаты нейтронной деполяризации и µSR-исследований существует возможность определить размер магнитных неоднородностей.P~(M inh ) 2 δ M inh -остаточная намагниченность, δ- средний размер домена. (S.V. Maleyev, J. Phys. 43 (1982) 7-23.) ? ?

19 CFM или ASM или SG? (разные функции релаксации G(t) и однородность сплава) CFM !!! G s (t) = [ + · cosΩ · t· exp(-Δ · t)] · exp(-λt)

20 Кривые есть аппроксимация экспериментальных данных при помощи: H 0 ~H max · (1-T/T c ) β, где β=0.40± это соответствует 3d-магнетику Гейзенберговского типа При Т < 28 K отклонение от ферромагнетика. Зависимость разброса Δ статических полей и величины среднего поля H 0 от Т.

21 при Т < 28 К сумма двух функций CFM + SG.

22 Температурная зависимость доли спин-стекольного вклада в деполяризацию ансамбля мюонов. При температуре Т ~ 28 К наблюдается частичный переход из ферромагнетного состояния в состояние спинового стекла.

23 Совместный анализ деполяризации нейтрона и мюона использован для определения размеров магнитных кластеров ФТТ, том 49, вып. 8, 2007, стр При вычислении δ была учтена магнитная изотропность образца, а среднее значение намагниченности неоднородностей M inh принято равным величине среднего магнитного поля H P~(M inh ) 2 δ S.V. Maleyev, J. Phys. 43 (1982) 7-23.

24 Основные результаты и в ыводы 1. SR-методом обнаружено новое фазовое состояние в гомогенных сплавах Cu 1-x Mn x в широкой области концентраций при температурах К. Оно характеризуется сильной спиновой динамикой и значительной неоднородностью локальных магнитных полей. 2. Полученные SR-методом результаты позволили существенно дополнить магнитную фазовую диаграмму гомогенных медно-марганцевых сплавов Cu 1-x Mn x. 3. Исследование сплава (Pd 1-x Fe x ) 0,95 Mn 0,05 c x=0,016 методом SR показало, что при температуре ниже 39.5 K в нулевом внешнем магнитном поле образец находится в состоянии коллинеарного ферромагнетика с изотропной ориентацией локальных статических магнитных полей. 4. При понижении температуры в образце, на фоне коллинеарного ферромагнетика, появляется фракция спинового стекла, задолго до перехода образца в спин- стекольное состояние при Tg=7-10 K. 5. Используя результаты нейтронной деполяризации и µSR-исследований определен размер магнитоупорядоченных областей.

25 Публикации в реферируемых журналах, препринтах и сборниках: 1. С.Г. Барсов, С.П. Беляев, А.Л. Геталов, Р.Ф. Коноплева, В.П. Коптев, С.А. Котов, Л.А. Кузьмин, В.А. Лихачев, С.М. Микиртычьянц, И.В. Назаркин, В.Л. Соловей, Г.В. Щербаков. Механическое поведение, структурное и магнитное превращение в марганцемедном сплаве. ЖТФ, т. 66, 11, с.62-71, С.Г. Барсов, А.Л. Геталов, В.П. Коптев, С.А. Котов, Л.А. Кузьмин, С.М. Микиртычьянц, В.А. Удовенко, Г.В. Щербаков. Новое магнитное состояние в гомогенных медномарганцевых сплавах. Препринт ПИЯФ-2147, Гатчина-1997, 15 с. 3. S.G. Barsov, A.L. Getalov, V.P. Koptev, S.A. Kotov, S.M. Mikirtychyants, G.V. Shcherbakov. Evidence for a new magnetic phase in polycrystalline Cu (1-x) Mn x alloys by SR. Physica B (2000) С.Г. Барсов, А.Л. Геталов, В.П. Коптев, С.А. Котов, С.М. Микиртычьянц, Г.В. Щербаков. Изучение магнитных характеристик гомогенных медно-марганцевых сплавов. Препринт ПИЯФ–2632, Гатчина–2005, 14 c. 5. С.Г. Барсов, А.Л. Геталов, В.П. Коптев, С.А. Котов, С.М. Микиртычьянц, Г.В. Щербаков. Исследование магнитных фазовых переходов и распределения локальных магнитных полей в системах с конкурирующим взаимодействием методом. В сборнике: «Основные результаты научных исследований ПИЯФ РАН в гг.». Гатчина, ПИЯФ РАН, 2005, стр С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, В.П. Коптев, С.А. Котов, С.М. Микиртычьянц, Г.В. Щербаков, Л.А. Аксельрод, Г.П. Гордеев, В.Н. Забенкин, И.М. Лазебник. Изучение магнитных свойств сплава (Pd x Fe 1-x ) 0.95 Mn 0.05 с помощью поляризованных мюонов и нейтронов. Препринт ПИЯФ–2688, Гатчина–2006, 17 стр. 7. С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, В.П. Коптев, С.А. Котов, С.М. Микиртычьянц, Г.В. Щербаков. µSR-установка на мюонном пучке синхроциклотрона ПИЯФ РАН. Препринт ПИЯФ–2694, Гатчина–2006, 17 стр. 8. С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, В.П. Коптев, С.А. Котов, С.М. Микиртычьянц, Г.В. Щербаков, Л.А. Аксельрод, Г.П. Гордеев, В.Н. Забенкин, И.М. Лазебник. Изучение магнитных свойств сплава (Pd x Fe 1-x ) 0.95 Mn 0.05 с помощью поляризованных мюонов и нейтронов. ФТТ, том 49, вып. 8, 2007, стр С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, В.П. Коптев, С.А. Котов, С.М. Микиртычьянц, Г.В. Щербаков. Исследование магнитных свойств гомогенных медно-марганцевых сплавов. ФТТ, том 49, вып. 9, 2007, стр С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, В.П. Коптев, С.А. Котов, С.М. Микиртычьянц, Г.В. Щербаков. µSR-установка на мюонном пучке синхроциклотрона ПИЯФ РАН. ПТЭ, том 50, 6, 2007, стр. 36– S.G. Barsov, S.I. Vorobyev, V.P. Koptev, E.N. Komarov, S.A. Kotov, S.M. Mikirtychyans, and G.V. Shcherbakov. µSR-investigations at PNPI. В сборнике ОФВЭ «HEPD: Main scientific activity 2002–2006». pp , Гатчина – 2007.

26 Апробация результатов работы: 1. С.П.Беляев, В.А.Лихачев, С.Г.Барсов, А.Л.Геталов, В.П.Коптев, С.А.Котов, Л.А.Кузьмин, С.М.Микиртычьянц, Г.В.Щербаков, Р.Ф.Коноплева, И.В.Назаркин, В.Л.Соловей. Комплексное исследование мартенситного и магнитного переходов в сплаве Cu 54 Mn 46. Материалы с эффектом памяти формы, сборник докладов часть 3, стр.1-10, Санкт-Петербург С.П.Беляев, В.А.Лихачев, С.Г.Барсов, А.Л.Геталов, В.П.Коптев, С.А.Котов, Л.А.Кузьмин, С.М.Микиртычьянц, Г.В.Щербаков, Р.Ф.Коноплева, И.В.Назаркин, В.Л.Соловей. Комплексное исследование мартенситного и магнитного переходов в сплаве Cu 54 Mn 46. I Российско-Американский семинар и XXXI семинар "Актуальные проблемы прочности" ноября 1995 года Санкт-Петербург. 3. S.G.Barsov, A.L.Getalov, V.P.Koptev, S.A.Kotov, S.M.Mikirtychyants, G.V.Shcherbakov. Evidence for a new magnetic phase in polycrystalline Cu (1-x) Mn x alloys by SR. 8-th Int. Conference on SR, Les Diablerets, Switzerland, Доклад на 40 ой Зимней школе ПИЯФ. µSR–studies of local magnetic field distributions in (Pd x Fe 1-x ) 0,95 Mn 0,05. S.G. Barsov, S.I. Vorobyev, A.L. Getalov, V.P. Koptev, S.A. Kotov, S.M. Mikirtychyants, G.V. Scherbakov. 5. S.G. Barsov, S.I. Vorobyev, V.P. Koptev, E.N. Komarov, S.A. Kotov, S.M. Mikirtychyans, and G.V. Shcherbakov. INVESTIGATION OF THE MAGNETIC PROPERTIES OF THE HOMOGENEOUS COPPER-MANGANESE ALLOYS. Труды XI международного междисциплинарного симпозиума «Упорядочение в минералах и сплавах» ОМА-11. – Ростов-на-Дону - п. Лоо, сентября 2008 г., Том I. стр. 277 – 280. – Ростов-на-Дону: Издательство СКНЦ ВШ ЮФУ АПСН, S.G. Barsov, S.I. Vorobyev, V.P. Koptev, E.N. Komarov, S.A. Kotov, S.M. Mikirtychyans, and G.V. Shcherbakov. THE STUDY OF THE MAGNETIC PROPERTIES OF THE (Pd 1-x Fe x ) 0.95 Mn 0.05 ALLOY. Труды XI международного междисциплинарного симпозиума «Упорядочение в минералах и сплавах» ОМА-11. – Ростов-на-Дону - п. Лоо, сентября 2008 г., Том I. стр. 281 – 283. – Ростов-на-Дону: Издательство СКНЦ ВШ ЮФУ АПСН, С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, В.П. Коптев, Е.Н. Комаров, С.А. Котов, Г.В. Щербаков. Исследование спин-стекольной фазы в сплавах (Pd 1-x Fe x ) 0.95 Mn 0.05 и Cu (1-x) Mn x с помощью μSR-метода. Второй международный, междисциплинарный симпозиум «Среды со структурным и магнитным упорядочением» (MULTIFERROICS-2). – Ростов-на-Дону, п. Лоо, сентября 2009 г.: Труды симпозиума. – Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ ЮФУ АПСН, стр. 80 – С.Г. Барсов, С.И. Воробьев, В.П. Коптев, Е.Н. Комаров, С.А. Котов, Г.В. Щербаков. Исследование спин-стекольной фазы в сплавах (Pd 1-x Fe x ) 0.95 Mn 0.05 и Cu (1-x) Mn x с помощью μSR-метода. Актуальные проблемы физики твердого тела (ФТТ-2009): сборник докладов международной научной конференции, октября 2009 г., Минск. В трех томах. Т. 1/ редкол.: Н.М. Олехнович и др. – Минск: Вараксин А.Н., Стр. 98 – Барсов С.Г., Воробьев С.И., Комаров Е.Н., Коптев В.П., Котов С.А., Щербаков Г.В. Изучение магнитных свойств сплава (Pd 1–x Fe x ) 0,95 Mn 0,05 с помощью поляризованных мюонов и нейтронов. Научная сессия МИФИ Аннотации докладов. В 3 томах. Т.1 Ядерная физика и энергетика. М.: МИФИ, Стр. 218.

27