La0.67Ca0.33MnO3電子自旋共振線寬的自旋波理論

胡小穎, 付志雄, 何 畏, 趙利軍

(1. 長春大學 理學院, 長春 130022; 2. 華北電力大學 國際教育學院電氣工程及其自動化系, 北京 102206)

稀土摻雜的鈣鈦礦結構錳氧化物由于具有巨磁電阻效應(CMR)[1], 因此在信息存儲和磁傳感器等領域具有廣闊的應用前景[2]. 錳氧化物是電荷、 軌道、 自旋和點陣自由度高度關聯的強關聯體系, 各種相互作用(如電子聲子相互作用、 自旋-自旋相互作用和雙交換作用等)以及相互間的競爭導致出現電荷有序和電子相分離等物理現象[3-5]. La1-xCaxMnO3的自旋有序和電荷有序與體系輸運性質密切相關[6].

在錳氧化物中, 通過自旋共振實驗觀察到一個寬化的、 單個的共振線, 但其物理本質未知[7-8]. 本文采用固相反應法制備樣品La0.67Ca0.33MnO3[9-13], 研究樣品的磁特性, 測試樣品變溫電子自旋共振, 并應用自旋波理論分析電子自旋共振線寬隨溫度的變化關系.

1 實 驗

1.1 樣品制備 采用固相反應法制備La0.67Ca0.33MnO3樣品. 其中La2O3,MnO2,CaCO3的質量分數均為99.999%. 按化學配比稱量La2O3,MnO2,CaCO3粉料, 并利用瑪瑙碾缽充分研磨均勻; 將研磨后的樣品在1 200 ℃空氣中預燒12 h, 再利用球磨機充分研磨12 h后壓片; 將壓好的樣品在1 450 ℃燒結72 h, 隨爐自然冷卻至室溫. 最終得到直徑為10 mm、 厚度為2 mm的黑色堅硬且無裂紋的樣品.

1.2 樣品測試 用日本理學D/max轉靶X射線衍射儀測試樣品的晶體結構, CuKα輻射(λ=0.154 1 nm), 石墨單色器, 電壓為50 kV, 電流為150 μA. 電子自旋共振測試采用德國Bruker公司生產的ER200D/SRC型X波段分光計, 溫度為160～340 K, 測試微波頻率為9.51 GHz.

2 自旋波理論

自旋和自旋相互作用體系哈密頓量的表達式為

(1)

(2)

其中δ表示近鄰兩格點間的位置矢差. 當J>0時, 其體系的基態(tài)為鐵磁態(tài), 當J<0時, 體系的基態(tài)為反鐵磁態(tài). 假設有N個自旋為S的磁性離子排列而成的晶格, 則可得狀態(tài)|0〉的本征值為

E0=-JNZS2.

(3)

(4)

其中:ωk為自旋波頻率; ?ωk(T)為自旋波量子, ?ωk可表示為

?ωk=2ZJS(1-γk).

(5)

經推導可求出修正后的自旋波量子為

(6)

其中

(7)

由式(6),(7)可知, 自旋-自旋相互作用對自旋波量子的修正可歸結為重正化因子{1-e(T)/S}, 該因子隨溫度升高而降低表明, 溫度上升導致自旋波頻率發(fā)生軟化現象, 從而導致體系結構失穩(wěn). 由式(6),(7)自洽求解可得?ωk(T).

3 結果與討論

3.1 晶體結構 La0.67Ca0.33MnO3樣品的XRD譜如圖1所示. 利用正交晶系對測試結果進行指標化, 可得樣品的晶格參數a=0.546 7 nm,b=0.771 7 nm,c=0.545 8 nm, 空間群為Pnma. 由圖1可見, 所得樣品的質量較高, 單相性較好.

3.2 電子自旋共振測試結果 La0.67Ca0.33MnO3樣品在不同溫度下的電子自旋共振譜如圖2所示, 溫度為160～340 K. 由圖2可見, 所有譜線均為單線. 由于測試溫度在鐵磁-順磁轉變點(267 K)附近, 因此在270 K的譜線上出現一個肩膀峰. 由La0.67Ca0.33MnO3樣品發(fā)生鐵磁-順磁轉變的溫度范圍較小可知, 所得樣品的結晶度較好.

圖1 La0.67Ca0.33MnO3樣品的XRD譜Fig.1 X-ray diffraction pattern of La0.67Ca0.33MnO3 sample

圖2 La0.67Ca0.33MnO3樣品在不同溫度下的電子自旋共振譜Fig.2 ESR spectra of La0.67Ca0.33MnO3 as a function of temperature

3.3 線寬隨溫度的變化 La0.67Ca0.33MnO3樣品的電子自旋共振線寬隨溫度的變化關系如圖3所示. 由圖3可見, 當溫度Tmin=1.086Tc時樣品的線寬最小. 當溫度大于Tmin時, 線寬隨溫度的升高呈線性增加, 當溫度小于Tmin時, 線寬隨溫度的降低呈指數增加. 在T≤Tc的溫度范圍內, 可用雙交換作用解釋, 且g=2, 因此認為在該溫度范圍內是純自旋機制. 可將T≤Tc區(qū)間分為自旋波區(qū)域和T→Tc磁性相轉變區(qū). 在自旋波溫度范圍內, 隨著溫度降低, 電子自旋共振線寬迅速變寬, 通過中子散射實驗結果[14]可知, 在磁性相變轉變區(qū)未探測到自旋波的能量(<0.04 eV).

3.4 自旋波理論計算結果 自旋波能量?ωk(T)隨溫度變化的理論計算結果如圖4所示, 自旋波矢分別為0.5,0.7,0.9 nm-1. 由圖4可見, 自旋-自旋相互作用對自旋波量子的修正可歸結為重正化因子{1-e(T)/S}, 該重正化因子隨溫度上升而降低, 可見溫度上升導致體系產生自旋波的頻率發(fā)生軟化現象, 使得體系結構不穩(wěn)定, 因此在磁性相變區(qū)的中子散射實驗未探測到自旋波能量. 當T→Tc時, 為使方程收斂, 應降低自旋波中的自旋-自旋相互作用數目. 因此, 在自旋波溫度區(qū)域(T

圖3 電子自旋共振線寬Δ Hpp隨溫度的變化關系Fig.3 Temperature dependence of ESR linewidth Δ Hpp

圖4 自旋波能量?ωk(T)隨溫度變化關系Fig.4 Temperature dependence of spin wave energy ?ωk(T)

綜上, 本文采用固相反應法制備了巨磁電阻材料La0.67Ca0.33MnO3, 并測試了其電子自旋共振, 實驗觀測到電子自旋共振線寬隨溫度的變化較明顯; 采用自旋波理論解釋了自旋共振線寬的變化原因; 通過對鐵磁自旋波能量的計算機自洽計算, 得到自旋相互作用的重正化因子{1-e(T)/S}, 重正化因子隨體系溫度的上升而降低表明, 溫度上升導致自旋波的頻率發(fā)生軟化現象, 使得體系結構不穩(wěn)定, 因此在中子散射實驗中未探測到磁性相變區(qū)的自旋波能量; 通過自旋波理論計算可見, 在自旋波溫度區(qū)域(T

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