Многоподрешеточные магнитные структуры в зарядово-упорядоченных перовскитных манганитах с высоким уровнем допирования

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Работа посвящена теоретическому исследованию неколлинеарных магнитных структур зарядово-упорядоченных манганитов со степенью допирования x=3/4, 4/5. Рассмотрены причины образования скошенных и перпендикулярных структур, связанных с конкуренцией орбитально-зависимого обмена в разных кристаллографических направлениях и влиянием одноионной анизотропии. Показан механизм образования существенно неколлинеарных магнитных структур. Предсказаны тримерно-страйповые магнитные структуры с упорядочением вдоль xp, yp, zp = b псевдоперовскитных осей. Предположено наличие компонент магнитной структуры вдоль оси b и предложены способы проверки наличия таких компонент c помощью полевых зависимостей намагниченности и частот антиферромагнитного резонанса.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Л. Э. Гончарь

Уральский государственный университет путей сообщения; Уральский федеральный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: l.e.gonchar@yandex.ru
Россия, 620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66; 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Список литературы

  1. Goodenough J.B. Theory of the role of covalence in the perovskite-type manganites [La, M(II)]MnO3 // Phys. Rev. 1955. V. 100. P. 564–573.
  2. Wollan E.O., Koehler W.C. Neutron Diffraction Study of the Magnetic Properties of the Series of Perovskite-Type Compounds [(1-x)La(x)Ca]MnO3 // Phys. Rev. 1955. V. 100. P. 545–563.
  3. Jirák Z., Krupička S., Šimša Z., Dlouhá M., Vratislav S. Neutron diffraction study of Pr1-xCaxMnO3 perovskites // J. Magn. Magn. Mat. 1985. V. 53. P. 153–166.
  4. Martin C., Maignan A., Hervieu M., Raveau B. Magnetic phase diagrams of L1-xAxMnO3 manganites (L=Pr, Sm; A=Ca, Sr) // Phys. Rev. B. 1999. V. 60. P. 12191–12199.
  5. Fernández-Díaz M.T., Martínez J.L., Alonso J.M., Herrero E. Structural, thermal, transport, and magnetic properties of the charge-ordered La1/3Ca2/3MnO3 oxide // Phys. Rev. B. 1999. V. 59. P. 1277–1284.
  6. Radaelli P.G., Cox D.E., Capogna L., Cheong S.-W., Marezio M. Wigner-crystal and bi-stripe models for the magnetic and crystallographic superstructures of La0.333Ca0.667MnO3 // Phys. Rev. B. 1999. V. 59. P. 14440–14450.
  7. Blasco J., Ritter C., García J., de Teresa J.M., Perez-Cacho J., Ibarra M.R. Structural and magnetic study of Tb1-xCaxMnO3 perovskites // Phys. Rev. B. 2000. V. 62. P. 5609–5618.
  8. Троянчук И.О., Мантыцкая О.С., Чобот А.Н. Магнитная фазовая диаграмма манганитов Bi1-xCaxMnO3 // ФТТ. 2002. Т. 44. С. 2164–2168.
  9. Бебенин Н.Г., Зайнуллина Р.И., Устинов В.В. Манганиты с колоссальным магнетосопротивлением // УФН. 2018. Т. 188. С. 801–820.
  10. Khomskii D.I., Streltsov S.V. Magnetic oxides // arXiv:2212.14176 [cond-mat.str-el]. https://doi.org/10.48550/arXiv.2212.14176
  11. Погорелов Ю.Г., Локтев В.М. Особенности физических свойств и колоссальное магнитосопротивление манганитов // ФНТ. 2000. Т. 26. С. 231–261.
  12. Mochizuki M., Furukawa N. Microscopic model and phase diagrams of the multiferroic perovskite manganites // Phys. Rev. B. 2009. V. 80. P. 134416.
  13. Santhosh P.N., Goldberger J., Woodward P.M. Phase separation over an extended compositional range: Studies of the Ca1-xBixMnO3 (x ≤ 0.25) phase diagram // Phys. Rev. B. 2000. V. 62. P. 928–942.
  14. Pissas M., Margiolaki I., Prassides K., Suard E. Crystal and magnetic structural study of the La1-xCaxMnO3 compound (x= 3/4) // Phys. Rev. B. 2005. V. 72. P. 064426.
  15. Ade R., Singh R. Magnetic and Transport Properties of Bi0.5-xPrxCa0.5MnO3 (0.0 ≤ x ≤ 0.50) Manganites // J. Supercond. Nov. Magn. 2018. V. 31. P. 1403–1409.
  16. Pissas M., Stamopoulos D., Arulraj A., Prassides K. Evolution of the magnetic structure in overdoped antiferromagnetic La1-xCaxMnO3 (0.51 ≤ x ≤ 0.69) manganites: A neutron diffraction study // Phys. Rev. B. 2023. V. 107. P. 035110.
  17. Grenier S., Kiryukhin V., Cheong S.-W., Kim B.G., Hill J.P., Thomas K.J., Tonnerre J.M., Joly Y., Staub U., Scagnoli V. Observation of orbital ordering and Jahn-Teller distortions supporting the Wigner-crystal model in highly doped Bi1-xCaxMnO3 // Phys. Rev. B. 2007. V. 75. P. 085101.
  18. Yadav K., Varma G.D. Magnetic and charge-ordering properties of Bi0.2 – xPrxCa0.8MnO3 (0.0 ≤ x ≤ 0.20) perovskite manganite // J. Supercond. Nov. Magn. 2012. V. 12. P. 1097–1104.
  19. Лошкарева Н.Н., Мостовщикова Е.В. Электронно-легированные манганиты на основе CaMnO3 // ФММ. 2012. Т. 113. С. 22–42.
  20. Кугель К.И., Рахманов А.Л., Сбойчаков А.О. Электронное фазовое расслоение в магнитных материалах // ФММ. 2022. Т. 123. С. 716–752.
  21. Mori S., Chen C.Y., Cheong S.-W. Pairing of charge-ordered stripes in (La, Ca)MnO3 // Nature. 1998. V. 392. P. 473–476.
  22. Gonchar L.E. Theoretical study of frustrated magnetic ordering in La1/3Ca2/3MnO3: The role of charge-orbital ordering // J. Magn. Magn. Mater. 2020. V. 513. P. 167248.
  23. Gonchar L. Magnetic frustration in insulating Jahn-Teller manganite crystals // Low Temp. Phys. 2022. V. 48. P. 37–42.
  24. Likodimos V., Pissas M. Magnetic heterogeneity in electron doped La1–xCaxMnO3 manganites studied by means of electron spin resonance // J. Phys.: Condens. Matter. 2005. V. 17. P. 3903–3914.
  25. Гончарь Л.Э., Никифоров А.Е. Влияние орбитального упорядочения на формирование магнитной структуры в ян-теллеровском магнетике LaMnO3 // ФТТ. 2000. Т. 42. С. 1038–1042.
  26. Никифоров А.Е., Попов С.Э., Шашкин С.Ю. Микроскопические расчеты структуры и свойств кристалла LaMnO3 // ФММ. 1999. Т. 87. C. 16–22.
  27. Pissas M., Kallias G., Hofmann M., Többens D.M. Crystal and magnetic structure of the La1-xCaxMnO3 compound (x=0.8,0.85) // Phys. Rev. B. 2002. V. 65. P. 064413.
  28. Gonchar L.E. Orbital state dependence of insulating manganites’ magnetic ordering // J. Magn. Magn. Mater. 2018. V. 465. P. 661–669.
  29. Pissas M., Kallias G. Phase diagram of the La1–xCaxMnO3 compound (0.5 ≤ x ≤ 0.9) // Phys. Rev. B. 2003. V. 68. P. 134414.
  30. Endo T., Goto T., Inoue Y., Koyama Y. Disordered Jahn–Teller-Polaron States in the Simple Perovskite Manganite Ca1–xLaxMnO3 with 0.15 ≤ x ≤ 0.28 // J. Phys. Soc. Jap. 2019. V. 88. P. 074708.
  31. Gonchar L.E. Corrigendum to “Theoretical study of frustrated magnetic ordering in La1/3Ca2/3MnO3: The role of charge-orbital ordering” [J. Magn. Magn. Mater.513 (2020) 167248] // J. Magn. Magn. Mater. 2023. V. 575. P. 170749.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Орбитально-зарядовая структура La1/4Ca3/4MnO3 [14]. Здесь и в последующих рисунках ионы Mn3+ изображены в виде распределения электронных плотностей, ионы Mn4+ обозначены сферами. Числа нумеруют подрешетки орбитальной структуры.

Скачать (94KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Орбитальная и зарядовая структуры подрешетки марганца в Bi1/5Ca4/5MnO3 [15].

Скачать (100KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость магнитной энергии различных структур от угла смешивания орбитальных функций Θ с пространственным распределением орбиталей в соответствии с формулами (4), (7). 1, 2 или G обозначают диапазоны углов Θ с разными типами магнитной структуры.

Скачать (72KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Возможные равновесные магнитные структуры манганитов с орбитально-зарядовой структурой “вигнеровский кристалл”, x = 3/4, 4/5. В соседней плоскости ac направления магнитных моментов противоположны. (a–в) – магнитные структуры для La1/4Ca3/4MnO3; a – магнитная структура типа 1 без удвоения магнитной ячейки, б – магнитная структура типа 2 с упорядочением страйпов вдоль орторомбической оси (например, с), в – магнитная структура типа 2 со взаимно перпендикулярным упорядочением страйпов Mn4+– Mn3+– Mn4+ и одним из возможных упорядочений промежуточного страйпа; (г–е) – магнитные структуры для Bi1/5Ca4/5MnO3; г – магнитная структура типа 1 без удвоения магнитной ячейки, д – магнитная структура типа 2 с упорядочением страйпов Mn4+– Mn3+– Mn4+ вдоль орторомбической оси (например, с) и одним из возможных упорядочений промежуточного страйпа, е – магнитная структура типа 2 со взаимно перпендикулярным упорядочением страйпов Mn4+– Mn3+– Mn4+ и одним из возможных упорядочений промежуточного страйпа.

Скачать (297KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Распределение магнитных подрешеток в плоскости ac; a – La1/4Ca3/4MnO3, в соседней плоскости номер подрешетки увеличивается на 16; б – Bi1/5Ca4/5MnO3, в соседней плоскости номер подрешетки увеличивается на 20.

Скачать (116KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Направления магнитных моментов в тримерно-страйповых структурах высокодопированных манганитов. Направления магнитных моментов в соседней плоскости ac строго противоположны. Красные стрелки – проекции магнитных моментов Mn3+; синие стрелки – проекции магнитных моментов Mn4+ внутри страйпов Mn4+–Mn3+–Mn4+; зеленые стрелки – проекции магнитных моментов Mn4+ в промежуточных страйпах; a, б – La1/4Ca3/4MnO3; в, г – Bi1/5Ca4/5MnO3.

Скачать (142KB)
Метаданные