Структурные и магнитные фазовые переходы при высоких давлениях в празеодим-стронциевом манганите

Важнейшей мотивацией для изучения манганитов с общей формулой   (А – редкоземельный, В – щелочно-земельный элементы) являются их богатые магнитные и структурные фазовые диаграммы. В зависимости от концентрации В – элемента (x) физические свойства манганитов значительно изменяются с температурой, внешним магнитным полем и внешним высоким давлением [1].

Разнообразные физические свойства этих соединений в первую очередь связаны с типом упорядочения магнитных моментов ионов марганца и типом кристаллического строения: видом искажения элементарной ячейки по отношению к идеальной кубической перовскитной, углами и длинам связей в марганец-кислородном октаэдре MnO₆ и т.д [2].

По сравнению с другими экспериментальными методами, воздействие высокого давления является прямым методом контролируемого изменения магнитных взаимодействий за счет вариации межатомных расстояний и углов. Структурные исследования при высоких давлениях дают уникальную возможность изучения взаимосвязи изменений структурных параметров кристалла, межатомных расстояний и углов с изменениями магнитной структуры и макроскопических свойств (магнитных и транспортных), что необходимо для понимания природы и механизмов физических явлений, наблюдаемых в манганитах [1].

В этой работе было исследовано влияние высокого давления на структурные и магнитные свойства манганита Pr_0.15Sr_0.85MnO₃.

Анализ данных нейтронной дифракции показал, что исследуемое соединение при нормальных условиях имеет идеальную кубическую структуру пр. гр.  и находится в парамагнитной фазе. На нейтронном дифракционном спектре при низкой температуре Т=16К обнаружены новые магнитные рефлексы на  d_hkl » 3.14 Å и 5.36 Å, а также наблюдается расщепление дифракционных пиков на d_hkl ≈ 1.91 и 3.82 Å (см. рис. 1). Анализ экспериментальных данных показал, что эти изменения дифракционных спектров свидетельствуют о возникновении новой антиферромагнитной фазы С-типа, сопровождающемся фазовым переходом из кубической пр. гр.  в тетрагональную кристаллическую структуру пр. гр. I4/mcm.

На рис. 2 представлены элементарные ячейки кубической и тетрагональной кристаллической структуры исследуемого соединения.

Рис. 1.   Участки нейтронных дифракционных спектров Pr_0.15Sr_0.85MnO₃, полученные при P=0ГПа, T=300K и Т=16К, обработанные по методу Ритвельда (на вставке представлены фрагменты основного рисунка, где происходят расщепление и появление пика)

Полученная для исследуемого соединения тетрагональная структура пр. гр. I4/mcm при низких температурах есть результат искажения октаэдров : удлинение и поворот октаэдров  вдоль и вокруг оси с с одним единственным углом поворота. В результате этого появляются два эквивалентных атома О1 вдоль оси с и четыре эквивалентных атома О2 в базисной плоскостью (ab). В кубической структуре пр. гр.  октаэдры MnO₆ состоят из 6 эквивалентных связей    Mn-O и при этом все валентные углы Mn-O-Mn равны 180°.

При низких температурах кристаллическая и магнитная структура остаются неизменными до 4 ГПа. С повышением давления  происходят линейное уменьшение параметров элементарной ячейки и длин связей Mn-O и увеличение валентного угла Mn-O2-Mn (см. рис. 3).

Рис. 3.  Зависимости длин связей Mn-O и угла связи Mn-O2-Mn от давления при

Т = 16К для тетрагональной фазы Pr_0.15Sr­_0.85MnO₃

На дифракционных нейтронных спектрах при высоких давлениях и комнатной температуре обнаружено расщепление пика на 3.82 Å и не обнаружено появления нового пика (см. рис. 4). Это свидетельствует о том, что происходит фазовый переход из кубической пр. гр. в тетрагональную кристаллическую структуру пр. гр. I4/mcm, при этом не происходит магнитного фазового перехода. При повышении давления также наблюдаются, как для низких температур, увеличение угла связи Mn-O2-Mn и линейное уменьшение параметров кристаллической элементарной ячейки тетрагональной структуры, длин связей Mn-O1 и Mn-O2.

Итак, при нормальном давлении структурный и магнитный фазовые переходы происходят одновременно Т_N ≈ T_c­ [3] , а при высоком давлении они расщепляют T_c > Т_N. Для исследования зависимости температуры структурного фазового перехода проводились эксперименты по энерго-дисперсионной рентгеновской дифракции при давлении до 4 ГПа и в диапазоне температуры 290 – 400 К.

Рис. 4. Участки нейтронных дифракционных спектров Pr_0.15Sr_0.85MnO₃, измеренный при T=300K, P =0ГПа и P=2.2ГПа, обработанные по методу Ритвельда

Появление расщепления между двумя дифракционными пиками ((220) и (004)) на энерго-дисперсионных рентгеновских дифракционных спектрах подтверждает, что под воздействием высокого давления при уменьшении  температуры происходит фазовый переход из кубической в тетрагональную кристаллическую структуру (см. рис. 5).

       Рис. 5.Зависимости температуры фазового перехода из кубической в тетрагональную кристаллическую структуру от давления Pr_0.15Sr­_0.85MnO₃. В вставке: Фрагменты рентгеновских дифракционных  спектров при давлении Р =1.6 ГПа и при температурах Т=300К и Т=390К

Зависимость температуры этого структурного фазового перехода имеет линейную характеру с большим положительным барическим коэффициентом dT_c/dP = 26(2) K × ГПа^-1.

Как было сказано, что при низких температурах и давлениях до 4 ГПа исследуемое соединение имеет антиферромагнитную фазу С-типа. Получены температурные зависимости магнитных моментов ионов марганца при различных давлениях (см. рис. 6). Расчет показал, что температура Нелля магнитного фазового перехода слабо зависит от давления. Ее барический коэффициент составляет dT_N/dP = 3.8(9) K×ГПа^-1.

Для исследуемого соединения Pr_0.15Sr­_0.85MnO₃ возможно происходит магнитный фазовый переход из АФМ фазы С-типа в АФМ фазу G-типа при давлении P ~ 14 ГПа [1], и оно существенно превышает максимальное значение давления, полученное в наших экспериментах методом нейтронной дифракции.

     Рис. 6.  Температурные зависимости соотношений магнитных моментов иона Mn соединения Pr_0.15Sr­_0.85MnO₃, нормализованных на значение при Т=16К  при различных давлениях, интерполированные функцией

Литература:

1. Д. П. Козленко, Б. Н. Савенко. Физика элементарных часчиц и атомного ядра, том 37, вып.7(2006).
2. Pai G.V. // Phys. Rev. B. 2001. V. 63. P. 064431.
3. C. Martin et al. // J. Magn. Magn. Mater. 1999. V. 205. P. 184-198.