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.
  1. У.В. Валиев, А.А. Попов, Б.Ю. Соколов. Опт. и спектр. 61, 5, 1141 (1986)
  2. А.С. Москвин, В.М. Плещеев. Опт. и спектр. 64, 4, 721 (1988)
  3. K.M. Mukimov, B.Yu. Sokolov, U.V. Valiev. Phys. Stat. Sol. (a) 119, 307 (1990)
  4. У.В. Валиев, А.А. Клочков, В. Неквасил, А.И. Попов, Б.Ю. Соколов. ФТТ 29, 6, 1640 (1987)
  5. Г.С. Кринчик, В.С. Гущин, Н.И. Цидаева. ЖЭТФ 86, 2, 700 (1984)
  6. M. Guillot, H. le Gall, J.M. Desvignes, M. Artinian. IEEE Trans. Magn. 22, 1239 (1986)
  7. О.А. Дорофеев, А.К. Звездин, А.И. Попов. ФТТ 38, 10, 3012 (1996)
  8. С.Ш. Гольдштейн, К.М. Мукимов, Г.П. Сигал, Б.Ю. Соколов. ПТЭ, 6, 113 (1992)
  9. У.В. Валиев, А.А. Клочков, А.И. Попов, Б.Ю. Соколов. Опрт. и спектр. 66, 3, 613 (1989)
  10. 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.