Магнитотепловые, магнитоупругие и магнитотранспортные свойства редкоземельных интерметаллидов со структурой ThCr2Si2

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-12-00265

НазваниеМагнитотепловые, магнитоупругие и магнитотранспортные свойства редкоземельных интерметаллидов со структурой ThCr2Si2

Руководитель Мушников Николай Варфоломеевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-207 - Магнитные явления

Ключевые слова Магнитокалорический эффект, магнитострикция, эффект Холла, магнитные фазовые переходы, фрустрации, функциональные материалы

Код ГРНТИ29.19.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на развитие фундаментальных подходов к созданию материалов с высоким значением магнитокалорического эффекта, которые могут быть использованы в системах магнитного охлаждения, высокомагнитострикционных материалов, применимых для магнитомеханических систем преобразования энергии, а также материалов, обладающих большим топологическим эффектом Холла, перспективных для спинтроники. В рамках проекта будут проведены синтез и исследование структуры с помощью рентгеновской и нейтронной дифракции, магнитных, магнитотепловых, магнитоупругих и магнитотранспортных свойств монокристаллов и поликристаллов соединений RM2X2 (R - редкоземельный металл, M - Mn или Fe, X – Si или Ge) с тетрагональной кристаллической решеткой типа ThCr2Si2. В этих соединениях величина и знак обменных взаимодействий оказываются очень чувствительными к изменению межатомных расстояний. Уменьшение расстояния между атомами 3d-металла приводит к усилению отрицательных обменных взаимодействий. Вблизи концентрационного перехода «ферромагнетик-антиферромагнетик» магнитная структура оказывается наиболее чувствительной к внешним параметрам. Близкое к критическому состояние может быть получено в системах, в которых вследствие конкуренции обменных взаимодействий возникают магнитные фрустрации и спиральные магнитные структуры. При изменении магнитного поля, температуры, давления может происходить коренная перестройка магнитной структуры. Как было показано в недавних работах, такая перестройка может сопровождаться большим топологическим эффектом Холла. В таких соединениях изменения магнитной энтропии, электросопротивления, объемной или линейной магнитострикции могут быть реализованы в относительно слабых магнитных полях, что делает их привлекательными для различных приложений. Поэтому представляет интерес установление фундаментальных закономерностей и взаимосвязи между магнитной структурой соединений и их откликом на внешние воздействия. В квазитройных соединениях типа (R1-xR`)xMn2(Si1-yGey)2 представляется возможным плавно изменять межатомные расстояния, обменные взаимодействия, магнитную анизотропию, электронную структуру, валентность редкоземельных ионов. Будет исследовано влияние конкуренции внутрислойных и межслойных обменных взаимодействий, магнитной анизотропии и магнитострикции на формирование магнитного упорядочения. Будет установлена взаимосвязь магнитной структуры и физических свойств (намагниченности, магнитострикции, магнитокалорического эффекта, гальваномагнитных эффектов) интерметаллидов с конкурирующими обменными взаимодействиями. Впервые предлагается исследовать магнитокалорический эффект в системах с фрустрированной редкоземельной подрешеткой. Выполнение планируемых исследований позволит получить экспериментальные данные, которые необходимы как для развития фундаментальных представлений о магнитных структурах и фазовых переходах, так и для создания новых функциональных магнитных материалов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Сташкова Л.А., Герасимов Е.Г., Мушников Н.В. Калориметрические исследования фазовых превращений в системе La1-xYxMn2Si2 Физика металлов и металловедение, Физика металлов и металловедение. 2024. Т. 125. № 4. С. 460-466 (Physics of Metals and Metallography. 2024. V. 125. №4. P. 412-418) (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1134/S0031918X23602792

2. Мушников Н.В., Герасимов Е.Г. Tuneable magnetic phase transitions in rare-earth intermetallic compounds with ThMn2Si2 structure Samarkand International Symposium on Magnetism 2023. Book of Abstracts. Samarkand, 2023., Samarkand International Symposium on Magnetism 2023. Book of Abstracts. Samarkand, 2023. P. 127. (год публикации - 2023)

3. Мушников Н.В., Герасимов Е.Г. Magnetic phase transitions in RMn2Si2 intermetallics V International Baltic Conference on Magnetism. Book of Abstracts., V International Baltic Conference on Magnetism. Book of Abstracts. P. 7. (год публикации - 2023)

4. Мушников Н.В., Герасимов Е.Г. Магнитные свойства редкоземельных интерметаллидов RMn2Si2 Материалы IX Байкальской Международной конференции BICMM 2023, Байкальск, 11-14 сентября 2023 г. Издательство ИГУ, Иркутск., Материалы IX Байкальской Международной конференции BICMM 2023, Байкальск, 11-14 сентября 2023 г., с. 25. (год публикации - 2023)

5. Сташкова Л.А., Герасимов Е.Г., Мушников Н.В. Калориметрические исследования магнитных переходов в системе La1-xYxMn2Si2 XXIII Всероссийская школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния СПФКС-23. Тезисы докладов. 23-30 ноября 2023 г., Екатеринбург, ИФМ УрО РАН., XXIII Всероссийская школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния СПФКС-23. Тезисы докладов. 23-30 ноября 2023 г., с. 90. (год публикации - 2023)

6. Альсафи Х.M., Герасимов Е.Г., Терентьев П.Б., Борисова П.А., Глазков В.П., Дюжева Е.В., Мушников Н.В., Пирогов А.Н. Magnetic structures of La1−xTbxMn2S2 compounds (x = 0.6 and 0.8) Конференция по использованию рассеяния нейтронов в исследовании конденсированных сред РНИКС-2023. 25-28 сентября 2023 г. Екатеринбург, ИФМ УрО РАН, Конференция по использованию рассеяния нейтронов в исследовании конденсированных сред РНИКС-2023. Екатеринбург, 25-28 сентября 2023 г. Тезисы докладов. с. 118. (год публикации - 2023)

7. Герасимов Е.Г., Терентьев П.Б., Альсафи Х., Борисова П.А., Глазков В.П., Дюжева Е.В., Мушников Н.В., Теплых А.Е., Сёмкин М.А., Пирогов А.Н. Магнитные структуры в системе соединений Tb(Ni1-xMnx)2Si2 Конференция по использованию рассеяния нейтронов в исследовании конденсированных сред РНИКС-2023. 25-28 сентября 2023 г. Екатеринбург, ИФМ УрО РАН., Конференция по использованию рассеяния нейтронов в исследовании конденсированных сред РНИКС-2023. Екатеринбург, 25-28 сентября 2023 г. Тезисы докладов. с. 126-127. (год публикации - 2023)

8. Н.В. Мушников, Е.Г. Герасимов, П.Б. Терентьев, В.С. Гавико, Д.И. Горбунов Spin reorientation in GdMn2(Ge1-xSix)2 compounds Journal of Alloys and Compounds, Journal of Alloys and Compounds, 2024, v. 1000, p. 175140 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jallcom.2024.175140

9. Терентьев П.Б., Мушников Н.В., Герасимов Е.Г. Анизотропия ИФМ/Anisotropy IMP Федеральная служба по интеллектуальной собственности, Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2024685083 (год публикации - 2024)

10. Розенфельд Е.В., Мушников Н.В. Нетермодинамическая теория среднего поля ансамбля взаимодействующих квантовых объектов Physics of Metals and Metallography (Физика металлов и металловедение), Физика металлов и металловедение, Т. 126, №2, С. 151-159 (год публикации - 2025)
10.31857/S0015323025020039

11. Мушников Н.В., Герасимов Е.Г., Терентьев П.Б., Гавико В.С., Альсафи Х.М., Сёмкин М.А., Барташевич А.М., Пирогов А.Н. Взаимосвязь между кристаллической и магнитной структурами в соединениях La1-xTbxMn2Si2 Physics of Metals and Metallography (Физика металлов и металловедение), Physics of Metals and Metallography (English only), v. 126, No. 3, p. 248-255 (год публикации - 2025)
10.1134/S0031918X24603342

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Синтезированы интерметаллические соединения TbMn2Si2, DyMn2Si2, La1-xErxMn2Si2, Dy1-xErxMn2Si2. Проведены исследования кристаллической структуры, магнитных, электрических, магнитотепловых свойств на поликристаллических образцах. Для изучения магнитотранспортных свойств были получены квазимонокристаллы соединения TbMn2Si2, DyMn2Si2, GdMn2Si2. Разработана методика изготовления электрических контактов к образцам. Качественные контакты получены при пайке припоем In-Ag поверх нанесенных методом магнетронного распыления медных площадок. Измерены магнитополевая и температурная зависимости магнитосопротивления и эффекта Холла в квазимонокристаллах в магнитном поле до 90 кЭ в трех различных ориентациях магнитного и электрического поля относительно кристаллографических направлений монокристаллов. Проведены магнитные измерения и построены концентрационные магнитные фазовые диаграммы систем La1-xErxMn2Si2 и Dy1-xErxMn2Si2. Проведены нейтронографические измерения четырех образцов Dy1-xErxMn2Si2 (x = 0, 0.2, 0.6, 0.8) при низких температурах от 3 К до 90 К и комнатной температуре. Показано, что в основном состоянии возникает конкуренция магнитной анизотропии в редкоземельных слоях, содержащих атомы Dy, обладающих одноосной магнитной анизотропией и Er, обладающих плоскостной магнитной анизотропией, которая существенно влияет на формирование магнитной структуры. При замещении диспрозия эрбием в интерметаллических соединениях Dy1 xErxMn2Si2 на нейтронограммах при низкой температуре наблюдается исчезновение магнитного рефлекса (001), характерного для антиферромагнитного упорядочения марганца в плоскости тетрагональной структуры. Определены магнитные структуры в соединениях La1-xTbxMn2Si2 с разной концентрацией тербия. Показано, что при 293 K с ростом х происходит смена типа межслойного Mn-Mn магнитного упорядочения от ферромагнитного к антиферромагнитному и переход от угловой к коллинеарной магнитной структуре в слоях марганца. При низких температурах и концентрации тербия x ≥ 0.6 из-за наличия сильной одноосной магнитной анизотропии подрешетки Tb и конкуренции отрицательных межслойных Mn-Mn и Tb-Mn взаимодействий реализуется ферримагнитная структура с подрешеткой Tb коллинеарной с-оси и отклоненной от с-оси подрешеткой Mn. В сильных импульсных магнитных полях при низких температурах обнаружены индуцированные магнитным полем магнитные фазовые переходы, сопровождающиеся значительным гистерезисом. Изучены структура и магнитные свойства соединений GdMn2(Ge1-xSix)2. Обнаружено, что с ростом концентрации кремния x происходит спиновая переориентация от с-оси к базисной плоскости через угловую фазу. Определена концентрационная зависимость угла отклонения магнитного момента относительно оси c при 4.2 К. Анализ магнитных структур в трехподрешеточной модели с отрицательными обменными взаимодействиями между подрешетками позволил рассчитать полевые зависимости магнитного момента вдоль главных кристаллографических направлений. Обнаружено семь различных магнитных структур, реализующихся в разных полях. Для объяснения спиновой переориентации в системе GdMn2(Ge1-xSix)2 через угловую магнитную фазу необходимо учитывать магнитную анизотропию подрешеток Mn с положительной константой анизотропии K1 и отрицательной константой K2. Создана и зарегистрирована в Роспатенте программа, предназначенная для моделирования процессов намагничивания с учетом пяти констант анизотропии. При анализе магнитных свойств в интерметаллидах RMn2Si2 обнаружено, что магнитные нейтронограммы не могут быть описаны в рамках шести основных магнитных структур, предложенных в ранних работах. Чтобы разрешить это противоречие, создана новая классификация соизмеримых магнитных структур для материалов с кристаллической структурой типа ThCr2Si2. Симметрийный анализ был проведен по пространственной группе P4/mmm вместо I4/mmm. Такой подход позволил описать все известные магнитные структуры, а также предсказать еще не наблюдаемые новые магнитные структуры, которые могут быть реализованы в подрешетке Mn. Теоретически изучены фазовые переходы в приближении среднего поля в открытой системе, состоящей из ансамбля взаимодействующих квантовых подсистем с дискретным спектром. В случае двухуровневых квантовых подсистем в аналитическом виде получены выражения для свободной энергии, теплоемкости и восприимчивости как функции внутренних управляющих параметров.

Публикации