稀土鈦酸鹽R2Ti2O7(R-Dy-Tb,Nd)自旋動力學行為的交流磁化率研究.pdf

1、稀土鈦酸鹽R2Ti2O7(R=Y、鑭系元素)是一類具有豐富物理性質(zhì)的材料。含較小的稀土離子(Y3+,Sm3+-Lu3+)的燒綠石結(jié)構(gòu)(pyrochlore)和較大稀土離子(La3+-Nd3+)的單斜結(jié)構(gòu)(monoclinic),是R2Ti2O7的兩種主要結(jié)構(gòu)。燒綠石結(jié)構(gòu)R2Ti2O7具有幾何阻挫,加上各種能標(包括晶體場,磁交換,以及磁偶極)的相互作用,這類材料中出現(xiàn)了奇異的磁狀態(tài),包括自旋冰和自旋液體。而單斜結(jié)構(gòu)的R2Ti2O7的鐵電

2、性、光催化等性質(zhì)受關(guān)注較多,其磁行為的研究則較少。本論文以交流磁化率測量為主要手段,分別研究了R2Ti2O7中燒綠石結(jié)構(gòu)的DyxTb2-xTi2O7和單斜結(jié)構(gòu)的Nd2Ti2O7的自旋動力學行為。
　　 DyxTb2-xTi2O7體系中包含的x=0,2.0的兩個組分,分別是自旋冰材料Dy2Ti2O7和自旋液體材料Tb2Ti2O7,是兩個當前被重點研究的具有代表性的燒綠石結(jié)構(gòu)幾何阻挫體系。由于兩者的基態(tài)自旋冰態(tài)和自旋液體態(tài)對外界的影

3、響(例如外壓,磁場)較為敏感,我們研究在Dy、Tb自旋共存的DyxTb2-xTi2O7體系中是否可能存在新的物理現(xiàn)象。我們周交流磁化率測量系統(tǒng)地研究了OyxTb2-xTi2O7(x∈[0,2])體系的動態(tài)磁行為。除觀察到已知的來源于Dy3+的單離子效應的凍結(jié)峰(Ts峰)外,我們發(fā)現(xiàn)了一個新的與Tb3+有關(guān)的類自旋凍結(jié)峰(freezing-like peak)。T*峰具有符合Arrhenius law的頻率依賴關(guān)系,屬于熱激發(fā)的弛豫過程。

4、我們提出T*峰的機制起源于Tb3+自旋的晶體場的低能能級,晶體場構(gòu)型隨著組分x的不同而變化,由此解釋了T*(x)的相圖。不僅如此,Ts峰和T*峰都顯示出很強的磁場依賴關(guān)系,尤其是在零場下兩者的消失,意味著DyxTb2-xTi2O7中很可能存在強烈的磁彈耦合(magnetoelastic coupling)。DyxTb2-xTi2O7中T*峰的發(fā)現(xiàn),體現(xiàn)了該體系豐富的低溫動態(tài)磁行為,為這類多種稀土自旋共存的幾何阻挫的體系的研究提供了實驗基

5、礎(chǔ)。
　　 R2Ti2O7的結(jié)構(gòu)隨著R位稀土元素離子半徑的增大,從燒綠石相變?yōu)閱涡毕?。我們對其中的Nd2Ti2O7進行了深入研究。我們表征了Nd2Ti2O7的源于晶體場的順磁各向異性,將外斯溫度θW中包含的交換相互作用的貢獻θex和晶體場的貢獻θCF分離開來。θex的數(shù)值遠高于磁相變溫度,說明Nd2Ti2O7在不具有幾何阻挫的情況下,仍存在較強的磁阻挫。Nd3+自旋基態(tài)4I9／2在晶體場作用下分裂為五個Kramers雙態(tài)。雙態(tài)在

6、外磁場作用下分裂為兩個單態(tài),其中能量最低的雙態(tài)主導了Nd2Ti2O7的低溫比熱。零場磁熵的測量得到了Rln2的熵值,與Nd3+自旋由其晶體場雙態(tài)基態(tài)(ground state doublet)決定的Ising性質(zhì)相符。更重要的是,通過交流磁化率的測量,我們在Nd2Ti2O7的順磁態(tài)中發(fā)現(xiàn)了新奇的場致慢自旋弛豫現(xiàn)象。La3+對Nd3+自旋的稀釋效應說明場致慢自旋弛豫來源于自旋關(guān)聯(lián)作用。同時,我們也觀察到在磁相變溫度0.58 K以上已經(jīng)有約

7、50％的磁熵凍結(jié),意味著在磁相變溫度以上形成了自旋關(guān)聯(lián)區(qū)域。自旋稀釋實驗和加壓實驗進一步揭示了Nd2Ti2O7豐富的自旋動態(tài)行為?；谶@些實驗結(jié)果,我們提出,Nd2Ti2O7的場致慢自旋弛豫來源于被磁場部分極化的自旋通過自旋關(guān)聯(lián)作用形成的自旋關(guān)聯(lián)區(qū)域所具有的集體過程。Nd2Ti2O7的順磁態(tài)的場致慢自旋弛豫是首次在該類材料中發(fā)現(xiàn)的新奇磁行為,是繼Dy2Ti2O7及Tb2Ti2O7在高場下的自旋關(guān)聯(lián)現(xiàn)象之后,另一個順磁態(tài)下的自旋關(guān)聯(lián)的宏觀

8、效應。我們也進一步研究了Y摻雜的Nd2Ti2O7,通過離子半徑較小的Y3+將Nd2-xYxTi2O7體系穩(wěn)定在具有幾何阻挫的燒燒綠石結(jié)構(gòu)。交流磁化率測量顯示樣品的場致慢自旋弛豫依然存在。因而,Nd2Ti207的場致慢自旋弛豫與材料的具體晶體場構(gòu)型(crystal field scheme)無關(guān)。我們提出,自旋集體行為不僅存在于Dy2Ti2O7和Tb2Ti2O7這樣的具有高基態(tài)簡并度的集體順磁體(cooperative paramagne