Влияние упругой подсистемы магнитного диэлектрика на его оптический спектр

Спектры поглощения света кристаллов, содержащих 3d-, 4f- и другие ионы, формируются из спектров входящих в их состав ионов, изменённых действием кристаллического поля и взаимодействиями между ионами. Положение полос поглощения хорошо описывается в теории поля лигандов [1]. Интенсивность полос поглощения и тонкая структура спектров не объясняется в рамках этой теории и является следствием коллективных возбуждений различных подсистем кристалла (электронной, магнитной, упругой), хотя исходно и порождается прямыми электронными переходами в 3d-, 4f- и других ионах. В антиферромагнитных кристаллах, содержащих 3d⁵-ионы (Mn²⁺, Fe³⁺), основное состояние которых ⁶S, прямые электронные переходы запрещены по спину и по чётности в электро-дипольном приближении. Поэтому интенсивные линии в спектрах поглощения света таких кристаллов имеют сложную многочастичную природу. Связать полосы поглощения спектра с конкретными электронными переходами возможно лишь после анализа реакции полос спектра на внешние воздействия. В данной работе рассмотрено изменение спектра оптического поглощения антиферромагнитного кристалла Rb 2 MnCl 4

антиферромагнетик.

при действии на него одноосного давления с целью выявления прямых источников серий полос поглощения в районе частот ∼ 26 500 см ^{- 1}, образованных с участием перехода ⁶A 1g (⁶S) → ⁴T 2g (⁴D) в ионах Mn²⁺.

Кристаллы Rb 2 MnCl 4 при комнатной температуре имеют тетрагональную структуру симметрии D_4h¹⁷. При температуре ниже T_N = 57 К в кристалле устанавливается антиферромагнитный порядок с анизотропией типа лёгкая ось. Магнитные моменты направлены параллельно C 4 оси симметрии кристалла [2]. Элементарная ячейка при переходе из парамагнитного в антиферромагнитное состояние удваивается, а симметрия понижается до ромбической.

Рассмотрим поляризованные спектры поглощения света кристалла Rb2MnCl4 в области энергии ∼26 000 см–1 при температуре T = 4,2 К при приложенном к нему внешнем одноосном давлении, направленном вдоль оси С4 (рис. 1). Поглощение света в этой области энергии происходит благодаря переходам 6A1g(6S) → 4T2g(4D) в ионах Mn2+. Поляризация полос поглощения света, связанных с прямыми переходами (экситонными полосами) и парными экситон-магнонными в этой области спектра, должна соответ- ствовать правилам отбора, приведённым в [3]. Экситоны симметрии Г2 («like»), происходящие из состояний электронов |T2, 0〉 , должны наблюдаться в σ-поляризации, а экситоны симметрии Γ5 («unlike»), происходящие из |T2, –1〉, – в α- и π-поляризации. В обозначении состояний электронов | Γ, ΜΓ〉 Γ - орбитальная компонента, MΓ - проекция орбитального момента. При этом экситонные полосы должны быть магнитодипольными и иметь очень маленькую интенсивность. Экситоны Γ2 должны порождать магнонные полосы-спутники электродипольной природы в π-по-ляризации, а экситонам Γ5 должны сопутствовать магнонные полосы-спутники в α- и σ-поляризации.

Рис. 1. Изменение спектра поглощения света Rb₂MnCl₄ при температуре Т = 4,2 К под действием одноосного давления p ⊥ С₄(кбар): 1 – 0; 2 – 0,9; 3 – 1,25; 4 – 0; 5 – 1,25. Направление распространения света k ⊥ C₄; направление вектора электрического поля световой волны E : 1, 2 и 3 – E || C₄ ( σ -поляризация); 4, 5 – E ⊥ C₄ ( π -поляризация)

Обнаружить слабые экситонные полосы в спектре не удаётся. Однако косвенно их положение может быть установлено. Для этого можно воспользоваться расчётом изменения положения экситонных полос, происходящих из состояния 4T2g(4D) иона марганца, при учёте спин-орбитального взаимодействия и тетрагональной компоненты кристаллического поля [4]. При использовании базисных функций |4T2g, MΓ, MS〉 диагонализация гамильтониана H = D(MΓ2 - 2/3) ± ± HSz + HS даёт зависимость энергии и относительной интенсивности прямых электронных переходов, происходящих из 4T2g(4D)-состояний ионов Mn2+. Здесь

H = s l ; ξ – константа спин-орбитальной свя-S ξα αα зи; sα и lα – операторы спинового и орбитального моментов электрона α; D – величина тетрагональной компоненты кристаллического поля; H = g'µBHE – об- менная энергия (g' – g-фактор возбуждённого состояния).

Энергия таких экситонных полос не зависит от величины кубической компоненты кристаллического поля.

Рассмотрим результаты расчёта зависимостей поглощения света для экситонов Γ 2 и Γ 5 от величины тетрагональной компоненты кристаллического поля D при H = 120 см^–1 (рис. 2). Положение «0» на шкале абсцисс выбрано условно. При этом выбрано значение параметра спин-орбитальной связи Λ = 40 см^–1, дающее наилучшее согласие поведения экситонных полос при приложении к кристаллу внешнего магнитного поля, переводящего кристалл в спин-флоп фазу ( H > 56 кЭ) [5]. Здесь Λ=- ( 1/3 10 )(⁴ T ₂ | ∑ s ⋅ l /ξ | ⁴ T ₂ ) .

Если выбрать значение тетрагональной компоненты кристаллического поля D = 250 см^–1, то взаимное расположение полос D 1 , D 4 и D 8 (см. рис. 1) совпадёт со взаимным расположением полос E₁, E₄ и E₈ (см. рис. 2). Тогда естественно их следует считать магнонными спутниками экситонных полос E₁, E₄ и E 8 соответственно. Это полностью согласуется с правилами отбора для магнонных полос спутников экситонов симметрии Г 2 и Г 5 [3]. Смешение полос D 1 , D 4 и D 8 при увеличении давления соответствует изменению энергии экситонных полос E 1 , E 4 и E 8 при увеличении величины тетрагональной компоненты кристаллического поля. Так, энергия полосы E 1 уменьшается, а полос E 4 и E 8 растёт, что наблюдается и для полос D 1 , D 4 и D 8 .

Форма экситон-магнонных полос D 1 , D 4 и D 8 указывает на слабое экситон-магнонное взаимодействие [6]. Поэтому экситонные полосы должны иметь энергию, отличающуюся от энергии экситон-магнонных полос на величину энергии магнона на границе зоны Бриллюэна, т. е. на 80 см^–1 [7]. Наблюдаемые энергии экситон-магнонных полос и вычисленные энергии эк-ситонных полос приведены ниже:

По смещению положения полос D 1 , D 4 и D 8 , приняв во внимание поведение экситонов в зависимости от величины тетрагональной компоненты кристаллического поля (см. рис. 2), можно оценить изменение кристаллического поля на поглощающем свет ионе. При величине давления 1,25 кбар изменение тетрагональной компоненты кристаллического поля, оцененное по смещению центра тяжести полосы D₁, составляет ∼ 5 см^–1.

Значительное расщепление полосы D1 достаточно необычно. В кристалле обменное поле ∼103 кЭ. Внешним давлением, таким, какое было достигнуто в эксперименте, изменить взаимную ориентацию магнитных моментов подрешёток вряд ли возможно. Поэтому природа расщепления полосы – это бетевское расщепление, связанное с понижением симметрии в антиферромагнитной фазе до ромбической и появление анизотропии деформаций в базисной плоскости кристалла при действии одноосного давления.

Таким образом, установлены электронные состояния, порождающие тонкую структуру спектра поглощения света в области переходов ⁶A 1g (⁶S) → ⁴T 2g (⁴D) в ионах Mn²⁺ кристалла Rb 2 MnCl 4 и определены их энергии, а также определено изменение тетрагональной компоненты кристаллического поля на ионе марганца при деформации кристалла под действием одноосного давления.