Vysoce aniztropní f-elektronové magnety

Intermetalické sloučeniny vzácných zemin (prvky 4f) s železem (Fe) nebo kobaltem (Co) jsou známé jako extrémně silné permanentní magnety s výjimečně vysokou jednoosou magnetokrystalovou anizotropií. V matriálech na bázi R₂Co₁₇ (R = kov vzácné zeminy) primárně určuje jejich Curieovu teplotu, T_C nejsilnější výměnná interakce Co-Co (interakce mezi atomy kobaltu). Oproti tomu slabší interakce R-Co (atomů vzácných zemin s atomy kobaltu) je zodpovědná za propojení mezi magnetizací silně anizotropní R podmřížky s magnetizací mnohem méně anizotropní Co podmřížky. Výměnná interakce mezi 4f a 3d elektrony je obvykle reprezentována pomocí molekulárního pole, kterým jsou momenty R a Co atomů vzájemně spojeny. Pro materiály s větším obsahem Co je hodnota molekulárního pole typicky v řádech stovek Tesla, proto jsou takto velká magnetická pole nutná pro určení molekulárního pole indukováním změn v magnetické konfiguraci obou magnetických podmříží. V důsledku velké magnetické anizotropie by mělo být měření prováděno na monokrystalech.

Sloučeniny Er₂Co₁₇ a Tm₂Co₁₇ s hexagonální krystalovou strukturou typu Th₂Ni₁₇ vykazují ferrimagnetické uspořádání a velmi podobné magnetické vlastnosti [1,2] s T_C = 1170 K a spontánním magnetickým momentem orientovaným podél Co podmřížky dosahujícím hodnot M_s = 10.1 a 13.4 µ_B/f.u. pro Tm, respektive Er obsahující sloučeninu. Při aplikaci vnějšího magnetického pole na monokrystal Er₂Co₁₇ podél osy c byl pozorován metamagnetický přechod při 40 T. Tento přechod je prvního řádu a odpovídá strmému natočení Er podmřížky o cca 50 stupňů s jejím následným plynulým srovnáním do uspořádání kolineárního ferromagnetu.

Při aplikaci magnetického pole na monokrystal Tm₂Co₁₇ podél osy c jsme pozorovali výrazný nárůst magnetizace při µ₀H_cr = 39 T. Tento nárůst odpovídá přímé transformaci z ferrimagentu na feromagnet cestou paramagnetické remagnetizace Tm podmřížky, což je plynulý proces – nedochází k žádnému sklonění spinů, magnetické momenty podmřížek zůstávají celou dobu kolineární s aplikovaným magnetickým polem. Přestože tedy sloučeniny Er₂Co₁₇ a Tm₂Co₁₇ vykazují v magnetických polích menších než 20 T podobné magnetické vlastnosti, polem indukované přechody jsou v těchto sloučeninách naprosto odlišné povahy. Proces remagnetizace R podmřížky bez rotace magnetických moment byl pozorován vůbec poprvé. Později jsme tento proces potvrdili také v příbuzné sloučenině Tm₂Fe₁₇ [3].

Obr. 1: Magnetizační křivky sloučenin Er₂Co₁₇ and Tm₂Co₁₇ s pulzním magnetickým polem aplikovaným podél hlavních krystalových os. Elementární buňka R₂Co₁₇ demonstruje uspořádání 4f a 3d prvků v krystalové struktuře. V detailech jsou ukázány výsledné monokrystaly obou sloučenin připravené Czochralského metodou.

Reference:
[1] A.V. Andreev, Y. Skourski, M.D. Kuzmin, S. Yasin, S. Zherlitsyn, R. Daou, J. Wosnitza, A. Iwasa, A. Kondo, A. Matsuo, K. Kindo, Magnetic and magnetoelastic anomalies of an Er₂Co₁₇ single crystal in high magnetic fields Phys. Rev. B 83 (2011) 184422.
[2] A.V. Andreev, M.D. Kuzmin, Y. Narumi, Y. Skourski, N.V. Kudrevatykh, K. Kindo, F.R. de Boer, J. Wosnitza, High-field magnetization study of a Tm₂Co₁₇ single crystal Phys. Rev. B 81 (2010) 134429.
[3] O. Isnard, A.V. Andreev, M.D. Kuzmin, Y. Skourski, D.I. Gorbunov, J. Wosnitza, N.V. Kudrevatykh, A. Iwasa, A. Kondo, A. Matsuo, K. Kindo, High magnetic field study of the Tm₂Fe₁₇ and Tm₂Fe₁₇D_3.2 compounds Phys. Rev. B 88 (2013) 174406.