Superconductivity, including high-temperature superconductivity


CALCULATION OF THE MAGNETIZATION OF THE


Download 2.75 Mb.
Pdf ko'rish
bet7/21
Sana22.02.2017
Hajmi2.75 Mb.
#1000
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   21

CALCULATION OF THE MAGNETIZATION OF THE

CsDy



MoO



4



2



CRYSTAL AT

T

Ä

0 K. PHASE TRANSITIONS

CAUSED BY AN EXTERNAL MAGNETIC FIELD

The results of the previous Section imply that in the

absence of an external magnetic field at T

ϭ0 K the magnetic

structure of the RE ions in CsDy

͑MoO


4

)

2



should correspond

to the 3AF-6 configuration. For it the angles of rotation

of the magnetic moments of the RE ions for their ‘‘own’’

and


the

‘‘other’’

subsystems

are


1,2


ϭ0.458° and

1,2



ϭϮ3.974°, respectively ͑Fig. 3a͒. Thus the structure un-

der consideration is a four-sublattice structure, made up of

sets of ferromagnetic chains of RE ions lying along the c

direction of the crystal, and the orientation of the magnetic

moments in the chains of ions of types and is also close

to this direction.

To study the evolution of the magnetic structure in an

external magnetic field directed along the orthorhombic axes



ab, and c, we must determine the configuration that will

have the minimum energy at the given value of the magnetic

field. This might be the initial configuration 3AF-6 or a

canted configuration with a resultant magnetic moment in the

direction of the field H. Here one expects that a symmetric

canted phase will be realized, since the field will be applied

in directions of symmetry. The magnetic structure of this

angular configuration can be determined by finding the mini-

mum angular dependence of its energy E

0



(

,



) in the


external magnetic field:

E

0



͑

,



͒ϭE



dd

͑



,



͒ϩE

dm



͑

,



͒ϩE



L

͑



,



͒ϩE

H

͑



,



͒,

ϭa,b,c,



͑10͒

where E



dd

(



,



)

ϭ͚

i

Ͻ j

͓(



i



j

)r

i j

2

Ϫ3(





i

r

i j

)(



j

r

i j

)

͔/r



i j

5

is



the energy of the dipole–dipole interaction of the RE ions of

FIG. 3. Magnetic structure of CsDy

͑MoO

4

)



2

in the ordered state for T

ϭ0 K

in the absence of an external magnetic field H



͑the 3AF-6 configuration͒ ͑a͒

and for H

ϾH

c2

H

ʈc

͑b͒; Hʈ͑c͒; Hʈ͑d͒.

565

Low Temp. Phys. 26 (8), August 2000



Anders

et al.


the canted configuration; E

dm



(

,



)

ϭN





2

(



,

)n



0

/2 is the

energy of the demagnetizing fields for a sample of macro-

scopic dimensions, N

is the demagnetizing factor in the



direction

E



L

(



,



)

ϭϪ2




2

(



,

)n



0

/3 is the Lorentz en-

ergy; and E

H

(



,



)

ϭϪ



(



,

)H



is the energy of the

magnetic moment in the external field.

Here the functions



(



,



) have the form:



x

͑



,



͒ϭ



B

S

g



xx

sin


͑



͒ϩg



xy

cos

͑



͒sin͑


͒



ϩg



xz

cos

͑



͒cos͑


͒



‡;



y

͑



,



͒ϭ



B

S

g



y x

sin


͑



͒ϩg



y y

cos

͑



͒sin͑


͒



ϩg



y z

cos

͑



͒cos͑


͒



‡;

͑11͒




z

͑



,



͒ϭ





B

S

g



zx

sin


͑



͒ϩg



zy

cos

͑



͒sin͑


͒



ϩg



zz

cos

͑



͒cos͑


͒



‡,

where


ϭ1,2.


The minimum of the energy E

0



as a function of the

angles


and


that specify the direction of the magnetic

moments of the RE ions in the sites in an applied external

field was found by a numerical calculation. Here it was as-

sumed that if the condition E

0



ϾE

6

is holds, then the mini-



mum energy of the magnetic system will correspond to the

3AF-6 configuration, and if E

0



ϽE



6

then it would corre-

spond to a canted configuration. By determining the direction

of the magnetic moments of the RE sites in this way and,

hence, their projection



on the field direction, one can

construct the magnetization as a function of the external

magnetic field applied in the corresponding direction.

Figure 4 shows the results of a calculation of the func-

tions M

c

(H), M



b

(H), and M



a

(H) for a spherical sample

and a two-dimensional

͑in the bc plane͒ slab with a ratio of

sides equal to 1:100

͑in the experiments whose results will

be used for comparison, the samples were generally in the

form of slabs

͒.

When the external magnetic field is directed along the c



axis

͑Fig. 4͒ and H



c

ϽH



c1

c

, where H



c1

c

ϭ1.2 kOe, the mag-

netic structure of the RE ions in CsDy

͑MoO


4

)

2



will corre-

spond to the 3AF-6 configuration. At the field value H



c

ϭH



c1

c

there occurs a phase transition from the antiferromag-

netic configuration 3AF-6 to a canted configuration with a

resultant magnetic moment in the direction of the magnetic

field

͑see Fig. 3b͒. Here the magnetic moments of the RE



ions of different sublattices will be rotated in a symmetric

way for a spherical sample and a slab, by

1,2


ϭϪ0.3° and

1,2



ϭϮ5.8°, and the projection of the magnetic moment of

the ions on the coordinate axes will have the following val-

ues:



x



c

ϭϪ0.02




B

;



y

c

ϭϮ0.6




B

;



z

c

ϭ6.67




B

.

Since for a spherical sample the demagnetizing factor in



this direction is nonzero, the magnetic structure of the

sample after the phase transition will be of the domain type.

The interval of field values in which the domain structure

will exist is determined by the demagnetizing field H

dm

c

ϭ1.3 kOe. At a value of the external magnetic field H



c

ϭH



c2

c

ϭH



c1

c

ϩH

dm

c

ϭ2.5 kOe, the domain structure vanishes.

Further increase in the magnetic field will lead to additional

rotation of the magnetic moments of the RE ions and, hence,

to a small increase in the longitudinal component of the re-

sultant moment. In the limit H



c

→ϱ, the magnetic moments

of the RE ions will be directed in such a way that the value

of



z

c

will be maximum. In this case the magnetic moments

of the RE ions of the two sublattices will be rotated by

1,2



ϭ0.1° and

1,2



ϭϮ4.6°, respectively, and the components

of the magnetic moments of the ions are



x

c

ϭ0.01




B

;



y

c

ϭϮ0.6




B

;



z

c

ϭ6.68




B

.

The critical field parameters calculated above for



samples of different shapes and the values of the magnetic

moment projections and the angles

and


, characterizing

the behavior of the CsDy

͑MoO


4

)

2



system for a field orien-

tation H

ʈc, are presented in Table II.

The system behaves in an analogous way when the ex-

ternal magnetic field is along the and axes, since the

plane in which the magnetic moments lie for the four-

sublattice structure under study does not coincide with the

basal planes of the orthorhombic unit cell. The behavior of

the system is also characterized by the presence of critical

fields H



c1

and H



c2

, the values of which are given in Table II

FIG. 4. Calculated curves of the magnetization of CsDy

͑MoO


4

)

2



versus the magnetic field for T

ϭ0 K ͑———͒, and experimental curves

12

for T



ϭ0.6 K and

H

ʈc

͑– – – –͒ for a sphere ͑a͒ and for a two-dimensional ͑in the bc plane͒ slab with a 1:100 ratio of sides ͑b͒.

566


Low Temp. Phys. 26 (8), August 2000

Anders


et al.

along with the other magnetic parameters. The magnetic

structure of the RE ions for H

ϾH

c2

is shown in Fig. 3c

(H

ʈb) and 3d (Hʈa).

It is of interest to compare the results obtained in this

calculation and in experimental studies of the magnetic prop-

erties of CsDy

͑MoO


4

)

2



, which have been done by a number

of authors. Here it should be kept in mind that the resultant

magnetization of the crystal, examined above for different

orientations of the external magnetic field, can also be char-

acterized by the value of the equivalent factor in accor-

dance with the expression M



i

ϭG



i



B



for an effective spin

of the Dy

3

ϩ

ion S



ϭ1/2. In this case the values of the equiva-

lent factor depend on the value of the external field, and in

high fields H

ϾH



c2

one has the values G



c

ϭ13.36, G



b

ϭ1.66, and G



a

ϭ3.66. It is this parameter that should be

compared with the effective factor obtained experimen-

tally.


In studying the magnetic susceptibility of CsDy

͑MoO


4

)

2



in the paramagnetic state, for a field orientation H

ʈa value

of g

c

ϭ12.4 was obtained

4

for the effective factor of the



Dy

3

ϩ



ions. The magnetic component of the heat capacity of

this crystal in a magnetic field with this same orientation is

described by an effective factor g

c

ϭ12.8.


3

These values

are close to that calculated by us: G

c

ϭ13.36.


As can be seen in Fig. 4, the magnetization of

CsDy


͑MoO

4

)



2

in the magnetically ordered state as a func-

tion of the magnetic field in the orientation H

ʈc

͑Ref. 12͒

also has much in common with our predictions. In addition,

in Ref. 3, in a study of thermograms of the heat capacity of

this crystal in the magnetically ordered state for H

ʈc, anoma-

lies were noted at H

Ϸ1.7 kOe and 5 kOe. These fields can

be compared with the calculated values H



c1

a

and H



c2

a

. Be-


sides the natural causes due to growth inhomogeneities of the

crystals and scatter in the parameters of the internal interac-

tions, the numerical differences between the results of the

calculations and experiments done at finite temperatures may

be due both to computational errors related to the accuracy

with which the angles of rotation of the principal axes of

the effective g-factor tensors of the RE ions are determined

and also to errors in the orientation of the samples in the

heat-capacity and magnetic-susceptibility experiments in

CsDy


͑MoO

4

)



2

.

A magnetic field in the H



ʈorientation gives rise to a

magnetic moment in the magnetically ordered state of this

crystal, the value of which is approximately an order of mag-

nitude smaller than for the orientation H

ʈc.

12

This also cor-



responds to the relationship that we found between the pa-

rameters G



c

and G



b

.

For the orientation H



ʈone observes an appreciable

scatter of the experimental values of the effective factor:

the values obtained in Refs. 3 and 4 were g

a

ϭ14.2 and g



a

ϭ8.9, respectively. In any case, however, they are quite a bit

higher than the value that we obtained: G

a

ϭ3.65. The reason

for this difference is still not clear to us.

CONCLUSIONS

1. According to the calculations done in the dipole ap-

proximation for the CsDy

͑MoO


4

)

2



unit cell containing two

magnetically inequivalent RE ions, the configuration that

should be realized in the ordered state is 3AF-6. The energy

per ion of the dipole–dipole interaction is E

6

ϭϪ1.28794 K,



and the magnetic moments of the two sublattices are rotated

by



1,2

ϭ0.458° and

1,2


ϭϮ3.974°, respectively.

2. A calculation of the field dependence of the magneti-

zations M

a

M



b

, and M



c

shows that phase transitions

should be observed in an external magnetic field as a result

of a change of the magnetic structure of the RE ions from the

initial 3AF-6 configuration to a canted configuration with a

resultant magnetic moment in the direction of the external

field.

3. A comparison of the calculated values of G



i

with the


effective factors obtained from the experimental data on

the heat capacity and susceptibility of CsDy

͑MoO

4

)



2

in an


external magnetic field shows that they are in satisfactory

agreement.

TABLE II. Parameters characterizing the behavior of CsDy

͑MoO


4

)

2



in an external magnetic field.

͑The values of the critical fields are given in kOe, the

magnetic moment components in Bohr magnetons, and the angles in degrees.

͒

567



Low Temp. Phys. 26 (8), August 2000

Anders


et al.

a

͒

E-mail: aanders@ilt.kharkov.ua



1

A. G. Anders, V. S. Bondarenko, S. B. Bordovsky, A. Feger, and A.

Orendacheva, Fiz. Nizk. Temp. 23, 1195

͑1997͒ ͓Low Temp. Phys. 23,

895

͑1997͔͒.


2

A. G. Anders, V. S. Bondarenko, A. Feher, and A. Orendaceva, Fiz. Nizk.

Temp. 22, 1042

͑1996͒ ͓Low Temp. Phys. 22, 794 ͑1996͔͒.

3

P. Shtefaniji, A. Orendaceva, A. Feger, E



´ . E. Anders, and A. I. Zvyagin,

Fiz. Nizk. Temp. 15, 1105

͑1989͒ ͓Sov. J. Low Temp. Phys. 15, 615

͑1989͔͒.


4

E. N. Khats’ko and A. S. Cherny

Ž, Fiz. Nizk. Temp. 11, 540 ͑1985͒ ͓Sov.

J. Low Temp. Phys. 11, 296

͑1985͔͒.

5

V. A. Vinokurov and V. P. Klevtsov, Kristallografiya 17, 127



͑1972͒.

6

N. M. Nesterenko, V. I. Fomin, V. I. Kut’ko, and A. I. Zvyagin, Preprint,



26–82

͓in Russian͔, Institute for Low Temperature Physics and Engineer-

ing, Academy of Sciences of the USSR, Kharkov

͑1982͒.


7

J. M. Luttinger and L. Tisza, Phys. Rev. 70, 954

͑1946͒.

8

T. Niemeyer, Physica



͑Amsterdam͒ 57, 281 ͑1972͒.

9

T. Niemeyer and H. W. J. Blote, Physica



͑Amsterdam͒ 67, 125 ͑1973͒.

10

S. K. Misra, Phys. Rev. B 8, 2026



͑1973͒.

11

S. B. Feodos’ev, E. S. Syrkin, I. A. Gospodarev, V. P. Popov, A. A.



Gurskas, and N. M. Nesterenko, Fiz. Tverd. Tela

͑Leningrad͒ 31, 186

͑1989͒ ͓Sov. Phys. Solid State 31, 102 ͑1989͔͒.

12

A. S. Cherny



Ž, Candidate’s Dissertaion ͓in Russian͔, B. Verkin Institute

for Low Temperature Physics and Engineering, National Academy of Sci-

ences of Ukraine, Kharkov

͑1994͒.


Translated by Steve Torstveit

568


Low Temp. Phys. 26 (8), August 2000

Anders


et al.

LOW-DIMENSIONAL AND DISORDERED SYSTEMS

Surface electromagnetic modes in layered conductors in a magnetic field

V. M. Gvozdikov



Department of Physics, Kharkov State University, Svobody sq. 4, 61077, Kharkov, Ukraine

͑Received October 18, 1999, revised March 1, 2000͒

Fiz. Nizk. Temp. 26, 776–786

͑August 2000͒

A transfer-matrix approach is developed for studies of the collective electromagnetic modes in a

semi-infinite layered conductor subjected to a quantizing external magnetic field

perpendicular to the layers. The dispersion relations for the surface and bulk modes are derived.

It is shown that the surface mode has a gap in the long-wavelength limit and exists only if

the absolute value of the in-plane wave vector exceeds the threshold value q

*

ϭϪ1/(ln͉⌬͉).



Depending on the sign of the parameter

⌬ϭ(␧Ϫ␧


0

)/(


0

ϩ␧), the frequency of the



surface mode



s

(q,

⌬) goes either above ͑for ⌬Ͼ0͒ or below ͑for ⌬Ͻ0͒ the bulk-mode

frequency

(q,k)



ϭ

(q,k



ϩ2

/a) for any value of k. At nonzero magnetic field the bulk mode



has a singular point q

0

(H) at which the bulk band twists in such a way that its top and



bottom bounds swap. Small variations of near this point change dramatically the shape of the

dispersion function

(q,k) in the variable k. The surface mode has no dispersion across



the layers, since its amplitude decays exponentially into the bulk of the sample. Both bulk and

surface modes have in the region qa

ӷ1 a similar asymptotic behavior

ϰq



1/2

, but




s

(q,

⌬) lies above or below

(q,k), respectively, for



⌬Ͼ0 and ⌬Ͻ0 ͑is the interlayer

separation;

0

and



␧ stand for the dielectric constants of the media outside the sample and between

the layers; and are the components of the wave vector in the plane and perpendicular to

the layers, respectively

͒. © 2000 American Institute of Physics. ͓S1063-777X͑00͒00508-9͔



Download 2.75 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   21




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling