26 января 2021

Петербургский институт ядерной физики приступил к нейтронографическим исследованиям образцов под высоким давлением при низких температурах в высоких магнитных полях

ПИЯФ ПИЯФ

Ученые НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ совместно с коллегами из ИФВД РАН им. Л.Ф. Верещагина (Троицк) и Лаборатории Леона Бриллюэна (Сакле, Франция) провели первые исследования спиральных магнетиков методом нейтронной дифракции при высоком давлении в сильном магнитном поле и при низких температурах.

Создание на образце экстремальных условий посредством высокого внешнего давления вместе с изменением магнитного поля и температуры позволяет получить максимальный объем экспериментальных данных для всестороннего описания внутренних свойств материалов.

Работа посвящена исследованию магнитной структуры соединения Mn0.9Fe0.1Ge при внешнем квазигидростатическом давлении до P = 1 ГПа методом малоуглового рассеяния нейтронов. Соединения Mn1–xFexGe, синтезированные при высоком давлении, кристаллизуются в нецентросимметричную кубическую структуру типа B20, в которой отсутствие центра инверсии в расположении магнитных атомов приводит к возникновению антисимметричного обменного взаимодействия Дзялошинского – Мория (ДМ) и образованию магнитной спирали.

В отличие от обычных геликоидальных магнетиков, основанных на взаимодействии Дзялошинского-Мориа, соединение MnGe обладает короткопериодической спиновой спиралью, больше напоминающей спирали типа РККИ. MnGe также демонстрирует магнитный переход порядок-беспорядок, охватывающий большой диапазон температур и включающий низкоэнергетические спиновые флуктуации.

Перспективным направлением исследования этих соединений является эволюция фазовой диаграммы поле-температура при внешнем квазигидростатическом давлении. При замещении атомов Mn на Fe в соединении Mn1− xFexGe изменяются по крайней мере два параметра, важных для стабилизации магнитной структуры: повышается концентрация электронов в твердом растворе и уменьшается постоянная ячейки, или прикладывается положительное химическое давление. Благодаря квазигидростатическому давлению эти две составляющие можно разделить. Давление приводит к уменьшению постоянной ячейки без изменения концентрации электронов. Таким образом, исследуя образец под квазигидростатическим давлением, можно оценить реальное влияние постоянной ячейки на эволюцию фазовой диаграммы поле-температура без влияния от химического замещения.

В результате проведенных исследований впервые построена фазовая диаграмма поле-температура (H-T) для соединения Mn0.9Fe0.1Ge при различных давлениях вплоть до P = 1 ГПа. Показано, что приложение давления при низких температурах приводит процессу, обратному к процессу замещения атомов Mn атомами Fe в соединении MnGe. А именно, увеличению величин всех критических магнитных полей, Hc1, Hc1m и Hc2, что может свидетельствовать о стабилизации магнитной системы под воздействием внешнего давления, вызванное стремлением магнитной системы построить соизмеримую кристаллической магнитную структуру. Показано, что волновой вектор магнитной спирали растет с ростом давления одновременно с уменьшением температуры магнитного упорядочения, Tc, со скоростью порядка 40 K/ГПа. Это явление наблюдалось ранее для соединения MnGe при P = 13 ГПа и свидетельствует о приближении магнитной системы к квантовому фазовому переходу в неупорядоченное состояние с ростом внешнего давления, который следует ожидать при приложении давления P = 4 ГПа.

Новые возможности по созданию экстремальных условий при проведении исследований позволяют по-новому взглянуть на полученные ранее результаты и открывают широкие области для развития текущей научной деятельности ученых Института.

Петербургский институт ядерной физики имени Б.П.Константинова (ПИЯФ) был основан в 1956 году как филиал знаменитого Ленинградского физтеха и в 1971 году стал уже самостоятельным институтом, носящим имя своего основателя. В институте проводятся фундаментальные научные исследования в области физики элементарных частиц и высоких энергий, ядерной физики, физики конденсированных сред, молекулярной и радиационной биофизики. Кроме того, ведутся исследования в прикладных областях, где применение самых передовых научных решений приводит к принципиально новым разработкам в области приборостроения, медицины и экологии. В институте действуют две базовых экспериментальных установки - реактор ВВР-М и протонный ускоритель. В настоящее время ПИЯФ организационно подчинён Курчатовскому институту