Новая магнитная фаза в гексабориде празеодима

В последнее время гексаборид празеодима (PrB 6 ) вызывает значительный интерес у исследователей. Располагаясь в ряду RB 6 между гексаборидом церия (CeB ₆ ) с промежуточной фазой в виде волны спиновой плотности [1] и гексаборидом неодима (NdB 6 ) с антиферромагнитной соразмерной (АФМ С) фазой ( Н ^ 150 кЭ) [2], PrB 6 демонстрирует сложный вид магнитной Н - T фазовой диаграммы с двумя фазовыми переходами: в АФМ несоразмерную (НС) ( T < T N ~ 7 К) и АФМ соразмерную фазы ( T < T M ~ 4 , 2 К) [3, 4] (рис. 1). При этом в гексабориде празеодима в АФМ С фазе по данным [3] наблюдается также переход в магнитном поле Н > Н с ~ 20 кЭ для направления Н || <  110 >  к простой (single-k) коллинеарной магнитной структуре ( C h ). Значительная анизотропия Н - T фазовой диаграммы в PrB 6 отмечена авторами [4], в работе которых только для направления магнитного поля H || < <  111 >  установлен положительный наклон границы T m ( Н) и переход в несоразмерную фазу НС ₂ в сильных полях. В то же время большой шаг по температуре и магнитному полю при построении Н - T фазовой диаграммы, допущенный в работах [3, 4], существенно затрудняет идентификацию природы магнитных фаз в этом соединении.

С этой целью в работе выполнены комплексные измерения угловых и полевых зависимостей магнитосопротивления △ р ( H,^,T о ) /р гексаборида празеодима в магнитном поле до 80 кЭ и в области температур 2 –8 К.

II.    Методика эксперимента

Исследуемые в работе монокристаллы гексаборида празеодима PrB 6 высокого качества

( T n ~ 6 , 7 К, T m ~ 4 , 6 К) выращены в институте проблем материаловедения НАНУ методом вертикального бестигельного индукционного зонного плавления с двукратным переплавом в атмосфере аргона [5]. Контроль качества образцов осуществлялся при помощи рентгеноструктурного и микрозондового анализов. Подготовка образцов к измерениям угловых зависимостей сопротивления включала электроэрозионную резку и последующую шлифовку. Особое внимание уделялось удалению поверхностного слоя, нарушенного в результате электроэрозионной и механической обработок, для чего после шлифовки образцов проводилось химическое травление поверхности в водном растворе азотной кислоты.

Рис. 1. Магнитная H — T фазовая диаграмма PrB ₆ для направления поля H 11 <  110 > . С (С_Н) —соразмерная, НС — несоразмерная антиферромагнитные фазы

Измерения угловых зависимостей сопротивления проводились методом вращения с пошаговой фиксацией положения образца в постоянном магнитном поле [6]. Высокая точность стабилизации температуры (Δ T ∼ 0 , 01 К–0 , 02 К) и магнитного поля (около 10 ^{- 5} при 80 кЭ), необходимая для прецизионных исследований характеристик зарядового транспорта, достигалась благодаря использованию оригинального температурного контроллера на цифровых сигнальных процессорах (CRYOTEL, ТС 1 , 5 / 300) в схеме с эталонным термометром модели CERNOX -1050 и источника тока сверхпроводящего магнита (CRYOTEL,

SMP S -120). Измерения малых напряжений с потенциальных контактов к образцу осуществлялись благодаря использованию двухканальных нановольтметров Keythley (США) модели 2182. Для уменьшения влияния паразитных термоэдс и других наводок измерения проводились на постоянном токе в режиме коммутации измерительного тока через образец. Сбор и обработка экспериментальных данных, а также управление параметрами и режимами работы устройств и блоков осуществлялись системой регистрации и управления на базе микропроцессорного устройства, связанного с персональным компьютером.

Рис. 2. Угловые зависимости нормированного сопротивления

р ( ^,H 0 ,T 0 ) /р (0 ,H 0 ,T 0 ) PrB 6 для (а, б) АФМ С фазы, (в) АФМ НС фазы. Вертикальными линиями обозначены направления магнитного поля: H || <  110 >  (сплошная линия) и H 11 <  111 >  (пунктирная линия)

Рис. 3. Полевые зависимости (а) магнитосопротивления и (б) производной магнитосопротивления по полю в АФМ фазе PrB 6 для направления магнитного поля вдоль

H || <  110 >

III.    Результаты и дискуссия

На рис. 2 представлены угловые зависимости нормированного сопротивления р ( ^И о ,T о ) /р (0 ,И о ,T о ) для температур, соответствующих 2а, 2б АФМ соразмерной и 2в АФМ несоразмерной фазе PrB 6 в магнитном поле до 60 кЭ. Как видно из рис. 2, направления И|| < <  110 >  и И || <  111 >  оказываются выделенными для всех представленных температур. В частности, для температуры T = 2 , 8 К наблюдается резкий минимум в магнитных полях И ^ 35 кЭ вдоль направления И || <  110 > . Окрестность перехода в АФМ НС фазу при T = 4 , 2 К характеризуется крайне необычным поведением углового сопротивления, рис. 2б. Так, в сильных магнитных полях И ^ 40 кЭ вместо заметного минимума, характерного для низких температур, на кривых р ( ^И о ,T о ) /р (0 ,И о ,T о ) наблюдается резкий положительный пик, соответствующий узкому интервалу углов вблизи ориентации магнитного поля И || <  110 >  .В АФМ НС фазе при T > T M форма кривых р ( р,И о ,T о ) /р (0 ,И о ,T о ) близка к меандру при И % 20 кЭ. С ростом поля в окрестности И || <  110 >  образуется минимум малой амплитуды (рис. 2в). Данная работа посвящена исследованию поперечного магнитосопротивления вдоль ориентации И || <  110 > .

Представленные на рис. 3а полевые зависимости Д р ( И ) / р демонстрируют значительное усиление амплитуды магнитосопротивления до значений Д р ( И ) /р ~ 160% ниже T M ~ 4 , 6 К, сопровождающееся появлением полевого гистерезиса. Переход в АФМ несоразмерную фазу ( T M < < T <  T n ~ 6 , 7 К) приводит к значительному уменьшению амплитуды магнитосопротивления (рис. 3а) ( T = 5 , 3 К) и подавлению особенностей на кривых Д р ( И ) / р в сильном магнитном поле (рис. 4). Наиболее наглядно изменения магнитосопротивления с ростом И в интервале температур ниже T M показаны на полевых зависимостях производной магнитосопротивления (рис. 3б). Кривые d [Д р ( И ) /р ] /dH демонстрируют наличие двух особенностей для каждой кривой, соответствующих, по-видимому, двум близко расположенным магнитным фазовым переходам, причём высокополевой особенности отвечает пик производной наибольшей амплитуды.

В результате анализ полевых зависимостей d [Др (И)/р ] / dH позволяет установить вид И - T магнитной фазовой диаграммы с дополнительной фазой ниже Tm (И), рис. 1. Представленные на рис. 1 данные из работ [3, 4], полученные при измерениях намагниченности [3] и продольного магнитосопротивления [4], демонстрируют наличие только одной ветви TM (И), зарегистрированной каждым из двух методов. В то же время существует заметное несоответствие поведения фазовой границы Tm (И) из данных [3, 4], что, на наш взгляд, следует связать с различием экспериментальных методик. Указанное различие используемых в [3, 4] экспериментальных методик вместе со значительной величиной интервала между точками по температуре [4] и по магнитному полю [3], по нашему мнению, не позволили авторам обнаружить дополнительную фазу ниже Tm (И) (рис. 1) (MR).

По нашему предположению, учитывая характер гистерезиса, новая фаза имеет ферромагнитную природу. К аналогичному выводу приводят также результаты разделения вкладов в магнитосопротивление в рамках спин-поляронного подхода, полученные в [7]. Численный анализ магнитосопротивления, выполненный в работе [7], позволяет сделать вывод о формировании магнитных кластеров наноразмера, димеров, состоящих из локализованных магнитных моментов 4 / -оболочки Pr ³⁺ и спин-поляризованных областей 5 d -состояний (ферронов) вдоль направления И || <  110 > . Однако для окончательной проверки необходимы дальнейшие подробные измерения, включая полевые и угловые зависимости намагниченности в PrB 6 .

Рис. 4. Температурные зависимости амплитуды магни тосопротивления PrB 6 в постоянном магнитном поле

IV.    Заключение

Представленные в работе подробные измерения анизотропии поперечного магнитосопротивления в гексабориде празеодима PrB 6 указывают на наличие новой магнитной фазы в окрестности температуры T M ∼ 4 , 6 К для ориентации магнитного поля H|| <  110 > . Наличие гистерезиса на кривых Δ ρ ( H ) /ρ указывает на возможное фазовое расслоение в АФМ фазе с формированием магнитных 5 d -ферронов и на их значительный вклад в образование новой фазы.