Регистрация / Вход
Прислать материал

Магнитный гистерезис в антиферромагнитной фазе поликристаллического диспрозия

Сведения об участнике
ФИО
Любимова Юлия Валерьевна
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Металлургия и металловедение
Тема
Магнитный гистерезис в антиферромагнитной фазе поликристаллического диспрозия
Резюме
В данной работе был изучен гистерезис обратимого эффекта Виллари (ОЭВ) в антиферромагнитной фазе (АФМ) поликристаллического диспрозия при различных протоколах измерений. Высокое разрешение метода механомагнитной спектроскопии позволяет исследовать поведение гистерезисных петель при охлаждении, при нагреве из ферромагнитной (ФМ) и при нагреве из АФМ фазы. Разработана модель, связывающая ширину гистерезиса ОЭВ с шириной традиционного магнитного гистерезиса B(H). Недавно обнаруженная критическая точка Виллари около 166 К наблюдается при измерении магнитной восприимчивости, и может быть связана с изменением магнитной структуры поликристаллического диспрозия.
Ключевые слова
фазовые переходы, поликтристалический диспрозий, эффект Виллари, дефекты решетки, антиферромагнитная фаза
Цели и задачи
Целью данной работы является изучение: (I) сложной фазовой диаграммы H–T диспрозия в АФМ фазе, в частности, в области обнаруженной критической точки Виллари при 166 К, вероятно, совпадающей с переходом вихревая-геликоидальная структура; (II) магнитного гистерезиса при низких полях в АФ фазе с использованием механомагнитной спектроскопии, затруднительное или нереализуемое с использованием стандартных методов.
Введение

Диспрозий является интенсивным объектом для исследования, поскольку некоторые его магнитные свойства остаются до сих пор неясными: в более ранних работах было показано, что существуют аномалии в поведении упругих характеристик и ультразвукового затухания при термоциклировании образца из ФМ фазы в антиферромагнитную АФМ [1]. Исследования монокристалла диспрозия показывают, что форма и размер магнитного гистерезиса отличаются между нагревом и охлаждением в температурном диапазоне 5 – 200 К [2]. Существуют противоречия в деталях доменной структуры и фазовой диаграммы в координатах «магнитное поле–температура» H–T [3-5]. Учитывая все вышесказанное, исследование свойств диспрозия новым методом является актуальной задачей. 

Методы и материалы

Механомагнитная спектроскопия является высокочувствительным методом, который позволяет одновременно исследовать упругие (модуль Юнга), неупругие свойства (внутреннее трение) и обратимую магнитострикцию (обратимый эффект Виллари, ОЭВ) на ультразвуковых частотах [6,7]. Метод основан на возбуждении ультразвуковой продольной стоячей волны в образце и последующего детектирования периодической индукции, вызванной деформацией (ОЭВ). Методика позволяет измерять ОЭВ, внутреннее трение и модуль Юнга в зависимости от амплитуды деформации \(\varepsilon_0\), температуры  T (77 - 400 K)  и магнитного поля H до 18 кА/м. Подробное описание метода и экспериментальной установки можно найти в других источниках [8]. В данной работе измерения были выполнены с использованием двух протоколов: значения \(B_0\) определялись как функции  температуры (80 - 250 К) при фиксированных поляризующих магнитных полях и при постоянной температуре как функции амплитуды периодического магнитного поля. Измерения проводились при охлаждении и последующем нагреве образца в диапазонах: а) между 250 и 95 К (без перехода в ФМ фазу); б) 250-80 К, выполнялось охлаждение образца ниже температуры Кюри, TC. Также регистрировались петли гистерезиса при различных амплитудах приложенного магнитного поля, \(H_0\) увеличивающегося от 0,28 до 18 кА/м. Образцы с размерами 1,1мм×1,3мм×12.2мм были получены методом электроискровой резки из листа поликристаллического диспрозия 99,9%, чистоты, поставляемого Sigma Aldrich.

Описание и обсуждение результатов

Механомагнитная спектроскопия подтверждает свою эффективность в исследовании магнитных свойств диспрозия: высокая чувствительность метода позволяет изучать детали АФМ фазы в диспрозии, которую сложно исследовать с использованием традиционных методов.

Разработанная модель, которая устанавливает связь между результатами наших измерений \(B_0(H) \) и магнитной индукцией \(B(H)\) в АФМ фазе диспрозия, показывает, что температурная зависимость периодической индукции, вызванной деформацией \(B_0(H) \), значительно выше, чем магнитная индукция \(B(H)\). Именно поэтому исследование магнитных свойств материала с помощью механомагнитной спектроскопии гораздо более эффективно, чем при использовании традиционных способов. Эти результаты позволяют анализировать поведение магнитного гистерезиса в ранее неизведанной области предполагаемого вихревого-геликоидального антиферромагнитного перехода.

Были проведены измерения магнитной восприимчивости, где отчетливо видны пики, характеризующие парамагнитно-геликоидальный антиферромагнитный (178 К) и антиферромагнитный-ферромагнитный переход (86 K и 92 K при охлаждении и нагреве, соответственно). Мнимая часть магнитной восприимчивости представляет собой потери в B-H цикле, в то время как действительная часть магнитной восприимчивости отражает общие свойства намагниченности М и доменных стенок. Ярко выраженные изменения в мнимой части магнитной восприимчивости в области к критической точки Виллари  и незначительные в действительной подразумевают, что такое поведение связано с некими препятствиями, ответственными за диссипацию энергии. Этими препятствиями для доменных стенок, как правило, являются дислокации. Мы предполагаем, что дислокации изменяют свои свойства как точки закрепления для доменных стенок в критической точке Виллари (согласно измерениям восприимчивости), но свойства доменных стенок остаются, в сущности, одинаковыми. Такое поведение петель гистерезиса и магнитной восприимчивости при нагреве указывает на наличие ферромагнитной остаточной фазы, вероятнее всего, представленной дислокациями, которые наследуют ферромагнитное упорядочение при нагреве из ферромагнитной фазы и сохраняют это состояние вплоть до критической точки Виллари в области 166 К.

Температурная зависимость ширины \(H_{c0} \), относительная площадь \(\Delta W/W\) и ширина \(H_{cB}\) петель гистерезиса согласуется с поведением магнитной восприимчивости и подтверждает наличие особенности в области критической точки Виллари при 166 K. 

Используемые источники
1. S.B. Palmer // J. Phys. F: Metal Phys. – 1975. – Vol. 5. – P. 2370-2378.
2. S. Kobayashi // PRL. – 2011. – Vol. 106. – P. 057207–1-4.
3. A.V. Andrianov, Yu.P. Gaidukov, A.N. Vasil'ev // Department of Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 1991. – Vol. 97. – P. 246-250.
4. M.T. Alkhafaji, N. Ali // Journal of Alloys and Compounds. – 1997. – Vol. 250. – P. 659–661.
5. M.L. Corró, A. el Hichou, E. Cesari and S. Kustov // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2016. – Vol. 49. – P. 015001–1-6.
6. S. Kustov, M.L. Corró, E. Cesari // Materials Science and Engineering A. – 2009. – Vol. 521-522. – P. 194–200.
7. S. Kustov, F. Masdeu, E. Cesari // Appl. Phys. Lett. – 2006. – Vol. 89. – P. 061917–1-3.
8. S. Kustov, S. Golyandin, A. Ichino, G. Gremaud // Mater. Sci. Eng. A. – 2006. – Vol. 442. – P. 532-537.
Information about the project
Surname Name
Liubimova Yulia
Project title
Magnetic hysteresis in the antiferromagnetic phase of polycrystalline dysprosium
Summary of the project
Hysteresis of the reversible Villari effect (RVE) under periodic magnetic field with different amplitudes H_0 has been studied in the antiferromagnetic (AFM) phase of polycrystalline Dy. High resolution of the method employed allowed us to follow the hysteresis loops starting from the Néel temperature and not only for heating from the ferromagnetic phase, when the hysteresis intensifies, but also for partial cooling/heating scans maintaining samples in the AFM phase. We show that the RVE hysteresis under cyclic magnetic field yields directly the width of magnetization M(H) loops, which can easily be related with the width of conventional B(H) loops using ac susceptibility data. We conclude that in the AFM phase the width of M(H) hysteresis is substantially higher than that of B(H) loops and, therefore, is easier to study experimentally. The new method employed enabled us to study, under different protocols, the area of the loops, ∆W, formed by RVE, over a wide range of cyclic field amplitudes H_0. We show that ∆W as a function of the maximum value of the RVE, B_0, under cyclic magnetic field is follows a power law which is scaled over a wide temperature range from the ferromagnetic phase to the recently uncovered in the AFM phase Villari critical point at 166 K. Experimental data obtained confirm that the Villari critical point in Dy controls the behaviour of several fundamental parameters, like AC susceptibility, and might be related to a change of magnetic structure at this temperature.
Keywords
phase transitions, polycrystalline dysprosium, Villari effect, lattice defects, antiferromagnetic