Материал: Физика магнитных диэлектриков.

Исследования ЭФ в ферритах со структурой граната

Исторически исследования магнитооптических явлений в ферритах были начаты в кристаллах со струк­ турой граната. Это большой класс ферритов, изоморфных минералу гранату {Са3} [А13 ](Si3) 0 12, структура кото­ рого описывается кубической пространствеиной группой О],0 — ІаЗ<2. Кубическая элементарная ячейка граната содержит восемь формульных единиц. В ячейке имеется шестнадцать октаэдрических позиций (16а), двадцать четыре тетраэдрические позиции (2Ы) и двадцать четыре додекаэдрические позиции (24с).

Интерес к структуре граната значительно возрос после синтеза ферримагиитных гранатов типа Y3Fe60 12. Струк­ тура граната допускает синтез кристаллов с большими вариациями но составу замещающих ионов. Так, доде­ каэдрические позиции могут быть замещены магнитными редкоземельными ионами, а также ионами Са2+, Ві3 + и т. д. Ионы железа в октаэдрических и тетраэдрических положениях могут быть частичпо или полностью заме­ щены на другие магнитные или немагнитные ионы, на­ пример Сг3+, Al3+, Ga3+ и др.

Магнитные свойства редкоземельных ферритов-гра­ натов достаточно хорошо объясняются трехподрешеточной моделью. Наиболее сильное антиферромагнитное взаимодействие, определяющее температуру Кюри Тс гранатов, осуществляется между ионами трехвалентного железа в октаэдрической и тетраэдрической подрешетках. Редкоземельная подрешетка связана более слабым антиферромагнитным взаимодействием в основном с тетраэд­ рической подрешеткой.

Оптическое поглощение удобнее рассматривать на при­ мере иттриевого феррита-граната Y3Fe50 12,oHo показано на рис. 5. 7 для ближней инфракрасной и в небольшом участке видимой области спектра [27]. Наибольшая про­ зрачность наблюдалась для длин воли 1.5—5 мкм, где поглощение было даже трудно измерить (коэффициент по­ глощения а=0.07 см-1 при комнатной температуре). Длин­ новолновый край поглощения связан с колебаниями ре­ шетки, коротковолновое поглощение — с электронными переходами в октаэдрических и тетраэдрических ионах железа Fe3+, сильное поглощение в области 24.000 см-1

400

вызвано, по-видимому, перебросом электрона от' иона О2“ к Fe3+.

Спектры поглощения редкоземельных ферритов-гра­ натов отличаются от иттриевого феррита-граната наличием дополнительных сравнительно узких полос поглощения за счет переходов в 4/-оболочке редкоземельных трехвалеитных ионов [27].

Эксперимента льиые и теоретические иссле­ дования ЭФ иМКД фер-

•ритов-гранатов показа­ ли, что можно выделить области в спектре, где проявляются различные микроскопические меха­

н и з м , с в я з а н н ы й

Рис. 5.7. Коэффициент по­ глощения а чистого моно­ кристалла иттриевого фер­ рита-граната.

Приведен коэффициент погло­ щения при основании 10. Циф­ ры слева — толщина кристалла, пропускающего 10% падающего света.

с и н т е н с и в н ы м и д и п о л ь н ы м и п е р е х о ­ д а м и с п е р е н о с о м з а р я д а и с р а з ­ р е ш е н н ы м и д и п о л ь н ы м и п е р е х о д а м и в и о н а х ж е л е з а и р е д к о з е м е л ь н ы х и о н а х . В области самих переходов наблюдается МКД, а ЭФ пропорционален интенсивности МКД и тому, как близко частота наблюдения лежит к частоте перехода. Эти переходы дают спадающий по мере увеличения длины волны (—1/А2) ЭФ, в ряде гранатов вклад гироэлектрического механизма еще заметен в области 5—6 мкм [28, 29].

Гироэлектрический механизм проявляется и для более слабых электронных переходов в Зй-оболочке ионов Fe3 + и в 4/-оболочке ионов редких земель. Однако интенсивность этих переходов значительно меньше, чем для разрешенных

дипольных переходов, и их влияние ощутимо лишь в об­

Рис. 5.8. Удельное фарадеевское вращение в иттриевом и гадолиниевом ферритах-гранатах [30]. ^

гранатах в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Данные приведены для температуры 1.5° К. При низкой температуре удается лучше разрешить струк­ туру как в поглощении, так и в ЭФ. Для иттриевого фер­ рита-граната ЭФ имеет практически ту же величину, что и при комнатной температуре. В этом гранате наблюдается изменение знака ЭФ около 20.000 см-1, что позволяет сде­ лать заключение о наличии интенсивного максимума по­ глощения в этой области частот. Измерение ЭФ удалось

402

провести на очень тонком образце около 10 мкм. Для полу­ чения информации об ЭФ и поглощении в более высоко­ частотной области необходимы исследования либо на от­

ный в предыдущем разделе, представляет существование частотно-независимого ЭФ для магнитных кристал­ лов для частот выше соб­ ственных мод колебаний магнитной системы. Экспе­ риментально эта незави-

Рпс. 5.9. Температурная зави­ симость магнитного ЭФ в иттриѳвом (Л), гадолиниевом (В) и диспрозневом (С) ферритахгранатах.

симость ЭФ от частоты была обнаружена для многих ферритов-гранатов для длин волн 5—6 мкм, где влияние частотно-зависимого гироэлектрического ЭФ, как правило, очень незначительно 128, 29]. В табл. 5.5 приведены зна­ чения частотно-независимого эффекта для ряда редкозе­ мельных гранатов.

В формуле (5. 89) все величины, кроме Ti =gie/2mc и у2 =g'Sel2mc, возможно получить из независимых измере-

26* 403

ний, поэтому результаты по частотно-независимому ЭФ могут быть использованы для измерения g-факторов редко­ земельных ионов ферримагнетиков. Таким образом, были получены значения g-факторов в широком температурном

земельным ионом в ^-состоянии, как в случае Gd3Fe50 12, то частотно-независимое вращение меняется с температу­ рой пропорционально намагниченности. В других случаях температурная зависимость вращения определяется как -изменениями намагниченности, так и изменениями g-фак­ тора (рис. 5.9).

Вклад подрешеток в ЭФ

G учетом гиромагнитного и пироэлектрических вкладов общую формулу (5. 89) для ЭФ в редкоземельных гранатах можно представить в следующем виде:

При записи этой формулы мы приняли, что гиромагнит­ ные отношения для трехвалентных ионов железа в тетра­ эдрической и октаэдрической подрешетках одинаковы и знак вращения выбран по ориентации моментов подреше­ ток выше температуры компенсации. (Ниже температуры компенсации все подрешетки и, следовательно, наблю­ даемое вращение, меняют знак).

Формула (5. 91) показывает, что наблюдаемое вращение зависит от намагниченностей подреше^ок, причем каждая из них дает свой вклад. В случае пироэлектрического эф­ фекта этот вклад также зависит от частоты. Определение вклада каждой подрешетки во вращение представляет важную задачу магнитооптики ферримагнитных матери­ алов. Эта задача может быть решена либо путем согласо­ вания наблюдаемой температурной зависимости ЭФ с рас­ четной кривой по формуле (5. 91) с использованием зна­ чений намагниченности, полученных другими методами (ЯМР, эффект Мессбауэра), либо путем замещения маг-

404