Nghiên cứu các tính chất từ của hệ chuẩn hai chiều

1 LỜI CẢM ƠN Luận văn này được thực hiện và hoàn thành tại Trường ĐHSP Hà Nội 2 dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Thế Lâm, người đã hướng dẫn và truyền cho tôi những kinh nghiệm quý báu trong học tập và nghiên cứu khoa học. Thầy luôn động viên và khích lệ để tôi vươn lên trong học tập và vượt qua những khó khăn trong chuyên môn, cũng như trong cuộc sống. Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng, biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đối với thầy. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường ĐHSP Hà Nội 2, Khoa Vật lý, Phòng Sau đại học đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành chương trình cao học và luận văn tốt nghiệp. Tôi trân trọng cảm ơn Trường Cao đẳng Công nghiệp Phúc Yên đã tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành tốt luận văn. Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã tạo điều kiện, đóng góp những ý kiến quí báu để tôi hoàn thành luận văn này. Hà Nội, tháng 09 năm 2008 Tác giả 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Thế Lâm. Luận văn không hề trùng lặp với những đề tài khác. Hà Nội, tháng 09 năm 2008 Tác giả 3 MỤC LỤC Trang Mục lục 3 Mở đầu 4 Chương 1. Sự tồn tại đồng thời của từ và siêu dẫn. 7 1.1. Sự tồn tại của từ và siêu dẫn.………………………….……. 7 1.2. Một số kết quả nghiên cứu tính chất điện và từ của UGe 2 bằng phương pháp phổ XMCD ………………………….… 11 Chương 2. Các tính chất từ và siêu dẫn của UGe 2 . 14 2.1. Sự phụ thuộc các tính chất điện và từ vào cấu trúc tinh thể 14 2.2. Giản đồ pha T - P của hệ từ siêu dẫn 17 2.3. Mô hình lỗ trống Stoner trong sắt từ - siêu dẫn……………… 19 2.4. Sự phụ thuộc của độ từ hoá vào nhiệt độ 26 2.5. Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ và áp suất 27 2.6. Sự phụ thuộc của nhiệt dung vào nhiệt độ và áp suất 42 Chương 3. Các tính chất từ và điện trong các hệ chuẩn hai chiều. 47 3.1. Mô hình tồn tại đồng thời từ và siêu dẫn 47 3.2. Kết quả tính toán và thảo luận 51 Kết luận 55 Phụ lục 57 Tài liệu tham khảo 60 4 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Một số vật liệu được chế tạo nên từ vật liệu không có từ tính mà lại có từ tính. Các trạng thái sắt từ tồn tại song song với trạng thái siêu dẫn là vấn đề rất mới được tìm ra trong thời gian gần đây trong một số hợp chất (như UGe 2 ). Sự cùng tồn tại của từ và siêu dẫn trở thành vấn đề quan tâm hàng đầu trong nghiên cứu kể từ một bài báo tiên phong của Ginzburg [20]. Vai trò trung gian giữa hai trật tự xa của từ và siêu dẫn là một vấn đề hấp dẫn trong hệ electron tương tác mạnh. Nói chung siêu dẫn không đồng thời tồn tại cùng với từ do mô men từ sinh ra một từ trường nội tại, từ trường này phá vỡ trạng thái kết cặp đôi. Tuy nhiên, trong ba thập kỉ gần đây, việc phát hiện ra một số vật liệu từ - siêu dẫn cho phép hiểu hơn về trật từ như thế nào và chúng có thể cùng tồn tại với siêu dẫn không. Nói chung có thể chấp nhận rằng tính phản sắt từ với các mô men từ địa phương có thể tồn tại từ các nguyên tố đất hiếm và trạng thái này có thể cùng tồn tại với siêu dẫn loại II [4]. Đó là do siêu dẫn và sắt từ được hình thành bởi những electron khác nhau, thường từ tính liên hệ chặt chẽ với các electron lớp 4f, trong khi siêu dẫn được hình thành từ phần lớn các electron lớp ngoài như s, p và d. Trường hợp các chất siêu dẫn sắt từ thì phức tạp hơn, bởi vì các từ trường trong không bị triệt tiêu trong khoảng chiều dài tương quan siêu dẫn, điều này đối ngược với một số chất siêu dẫn phản sắt từ. Vật liệu siêu dẫn - từ này mang nhiều tính chất mới, sẽ mở ra những ứng dụng mới trong công nghệ. 5 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu tính chất từ, điện và chuyển pha từ trong vật liệu siêu dẫn từ nói trên. 3. Đối tượng nghiên cứu Những vật liệu sắt từ được cấu trúc từ những nguyên tử không mang từ tính, có cấu trúc hai chiều và trên thực tế chúng có thể tồn tại cả hai trạng thái siêu dẫn và sắt từ. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp vật lí lý thuyết. - Phương pháp tính số. 5. Nội dung Chương 1. Sự tồn tại đồng thời của từ và siêu dẫn 1.1. Sự tồn tại của từ trong siêu dẫn 1.2. Một số kết quả nghiên cứu tính chất điện và từ của UGe 2 bằng phương pháp phổ XMCD Chương 2. Các tính chất từ và siêu dẫn của UGe 2 2.1. Sự phụ thuộc các tính chất điện và từ vào cấu trúc tinh thể 2.2. Giản đồ pha T - P của hệ từ siêu dẫn 2.3. Mô hình lỗ trống Stoner trong sắt từ - siêu dẫn 2.4. Sự phụ thuộc của độ từ hoá vào nhiệt độ 2.5. Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ và áp suất 2.6. Sự phụ thuộc của nhiệt dung vào nhiệt độ và áp suất Chương 3. Các tính chất từ và điện trong các hệ chuẩn hai chiều 3.1. Mô hình tồn tại đồng thời từ và siêu dẫn 3.2. Kết quả tính toán và thảo luận 6 6. Những đóng góp mới về khoa học, thực tiễn của đề tài Đề tài sau khi hoàn thành sẽ: - Giải thích được sự tồn tại của trạng thái sắt từ trong các hợp chất được cấu tạo bởi các nguyên tử không mang từ tính. - Khảo sát sự phụ thuộc của mô men từ trong các vật liệu nói trên vào tạp chất và nhiệt độ. - Góp phần soi sáng những kết quả nghiên cứu thực nghiệm. 7 Chương 1 SỰ TỒN TẠI ĐỒNG THỜI CỦA TỪ VÀ SIÊU DẪN 1.1. Sự tồn tại của từ trong siêu dẫn Sự tồn tại đồng thời của từ và siêu dẫn đã trở thành mối quan tâm hàng đầu, chủ đề thú vị trong vật lí chất rắn kể từ một bài báo tiên phong của Ginzburg [20]. Siêu dẫn và từ là hai trạng thái đối lập do sự cạnh tranh tự nhiên giữa quá trình chắn siêu dẫn (Hiệu ứng Meissner) và trường nội bộ gây bởi các trật tự từ. Suốt ba thập kỉ gần đây việc khám phá ra một số chất siêu dẫn từ cho phép hiểu rõ hơn về sự cùng tồn tại của từ và siêu dẫn. Người ta thường cho rằng phản sắt từ với các mô men địa phương do các nguyên tố đất hiếm cùng tồn tại trong siêu dẫn loại II, điều này là do siêu dẫn và từ được hình thành bởi các electron khác loại: Từ có liên quan đến các electron lớp 4f, trong khi siêu dẫn liên quan đến các electron lớp ngoài cùng như s, p và d. Đối với một vật liệu siêu dẫn từ để đạt được sự cùng tồn tại của từ và siêu dẫn phải tuân theo một điều kiện nghiêm ngặt bởi vì từ trường bên trong không bị triệt tiêu lẫn nhau trong khoảng độ dài liên kết siêu dẫn, ngược với siêu dẫn phản sắt từ. Ví dụ trong chất siêu dẫn từ cổ điển ErRh 4 B 4 với nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn là 8.7 K mạng con Er bắt đầu sắp xếp, khi trạng thái sắt từ bắt đầu được hình thành dưới 0.8 K thì trạng thái siêu dẫn lập tức bị phá vỡ ngoại trừ một vùng rất hẹp gần 0.8 K [71]. Chú ý rằng cấu trúc sắt từ cùng tồn tại với siêu dẫn không hoàn toàn là từ mà đã được điều chỉnh một phần. Hợp chất ErNi 2 B 2 C là một ví dụ mới của từ siêu dẫn. Mặc dù sự cùng tồn tại vi mô giữa hiện tượng sắt từ yếu và siêu dẫn đã được công bố, nhưng nghiên cứu nhiễu xạ nơtron đã chỉ ra rằng sự cùng tồn tại của từ và siêu dẫn không phải hoàn toàn là sắt từ [30]. Những ví dụ này dường như chỉ ra rằng siêu dẫn khó có thể cùng tồn tại với sắt từ ngay cả khi siêu dẫn và sắt từ được hình thành từ các 8 loại electron khác nhau. Gần đây Saxena cùng các cộng sự đã khám phá ra một chất siêu dẫn từ UGe 2 mới, trong đó tính siêu dẫn xảy ra ở áp suất cao [62]. Điều đặc biệt thú vị là cả sắt từ và siêu dẫn đều có thể được gây ra bởi các electron linh động lớp 5f, điều này có thể mở rộng trong không gian thực mặc dù đây vẫn còn là một vấn đề gây tranh luận và cần được giải quyết. Sự khám phá này đã làm thay đổi quan niệm về vai trò tương tác giữa từ và siêu dẫn. Trong khoảng vài năm gần đây siêu dẫn dưới áp suất P đã được thực hiện trên vài mẫu đơn tinh thể có độ sạch cao. Nó có trật từ theo 3 chiều, gây bởi các electron lớp f. Những hợp chất này ở gần áp suất tới hạn thì trật tự từ cũng biến mất. Có hai hợp chất về phản sắt từ CeIn 3 và CePd 2 Si 2 [40], mỗi hợp chất này có nhiệt độ Neel T N ~ 10 K và trạng thái sắt từ của UGe 2 có T C ~ 55 K. Các hợp chất CeIn 3 và CePd 2 Si 2 thể hiện tính siêu dẫn trong khoảng áp suất ~ 6 KBar. Trong áp suất này nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn T SC cực đại cỡ 0.4 K ÷ 0.2 K. Những giá trị áp suất mà ở đó nhiệt độ Neel T N → 0 lần lượt là ~ 26 KBar cho CeIn 3 và ~ 28 KBar cho CePd 2 Si 2 . Hợp chất UGe 2 biểu diễn tính siêu dẫn ở ngoài khoảng áp suất này (cỡ 8 KBar), với nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn T SC ~ 0.7 K tại 13 KBar, nó xuất hiện trong pha sắt từ cho đến tận áp suất tới hạn P C = 16 KBar tại đó T C biến mất. Trong tất cả những nghiên cứu này, siêu dẫn đã đo được trong những mẫu đơn tinh thể có độ sạch cao CeIn 3 , CePd 2 Si 2 và UGe 2 đã chỉ ra rằng những đơn tinh thể có độ sạch cao có thể quan sát thấy trạng thái siêu dẫn ở gần áp suất tới hạn mà ở đó trật tự từ cũng biến mất. Để thuận lợi, các phép đo đã được thực trên mẫu đơn tinh thể UGe 2 cùng với điện trở suất vào khoảng vài phần mười của 1 µΩcm. Mặc dù điều này đã nói ở trên trong tài liệu [62,75], rằng trạng thái siêu dẫn cũng đã đo được trong các mẫu đơn tinh thể cùng với điện trở suất cao cỡ 1 µΩcm ÷ 2 µΩcm ở áp suất 13 KBar. Kết 9 quả nghiên cứu gần đây về mẫu đa tinh thể của hợp chất sắt từ UGe 2 có điện trở suất lớn cỡ 3 µΩcm cùng bậc độ lớn với đơn tinh thể sạch nhất của mẫu UGe 2 trong các nghiên cứu trước đây. Các thí nghiệm trên mẫu chuỗi đơn tinh thể UGe 2 cũng đã tìm ra trạng thái siêu dẫn dưới áp suất và giản đồ pha áp suất - nhiệt độ P - T tương tự với các mẫu đơn tinh thể UGe 2 . Các kết quả này đã chỉ ra rằng trạng thái siêu dẫn trong áp suất của UGe 2 cùng tồn tại với sắt từ là có liên quan đến sự xuất hiện của tạp chất và ảnh hưởng của các sai hỏng ít nhất cho đến các mức mà chúng ta đã gặp trong thực nghiệm hiện nay. Những kết quả này có sự liên quan đến bản chất tự nhiên của siêu dẫn trong UGe 2 và đặc biệt nó đặt ra những câu hỏi rằng siêu dẫn có phải gây ra trạng thái sóng p hay không? Ví dụ trong hợp chất Sr 2 RuO 4 thì siêu dẫn hiển nhiên do sóng p gây lên [27,28,32], còn nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn ~ 1 K trong các mẫu sạch thì đã bị phá vỡ bởi tạp chất (Al) hoặc áp suất ở mức vào khoảng 1 µΩcm [36], trong đó các quãng đường tự do trung bình có thể so sánh được với độ dài tương quan siêu dẫn. Một dự đoán cho UGe 2 là siêu dẫn có thể bị gây ra bởi các sóng f mà nó cùng tồn tại với sắt từ theo kiểu không đồng nhất. Hiển nhiên là đối với phân bố không đồng nhất của sắt từ và siêu dẫn đã tìm thấy trước đây trong tài liệu [33,42,66], siêu dẫn sắt từ ErRhB 4 và HoMo 6 S 8 trong khoảng nhiệt độ rất hẹp nó chuyển trạng thái siêu dẫn về trạng thái thường và nhiệt độ siêu dẫn lần thứ hai lớn hơn nhiệt độ siêu dẫn lần một, trong đó T SC1 là nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn ở bên dưới nhiệt độ các mẫu trở lên siêu dẫn lần thứ nhất. Những phép đo đã tìm ra một điểm đặc biệt về điện trở ở nhiệt độ 0.6 T C . Điều này khác vùng siêu dẫn nhiệt độ cao trong giản đồ pha ở đó điện trở ρ(T) được biểu diễn qui luật hàm số mũ αT n với n ≈ 1.5 điều này không giống trạng thái Fermi lỏng, còn với nhiệt độ thấp đồ thị ρ(T) thể hiện trạng thái Fermi lỏng là αT 2 và biến mất khi nó tiến tới áp suất tới hạn P C . Phân tích sự phụ thuộc của điện trở vào áp suất người ta cũng đã 10 xác định được: + Sự phụ thuộc của n vào áp suất, trong đó n là số mũ biểu diễn sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ theo quy luật hàm số mũ (ρ(T) ~ αT n ) mà nó không phải trạng thái Fermi lỏng. + Hệ số Fermi lỏng. + Điện trở suất ρ 0 . Các thực nghiệm chi tiết Các mẫu đa tinh thể của UGe 2 được chế tạo bằng phương pháp nhân tạo, trong đó cho nóng chảy các vật liệu ban đầu với độ sạch cao đó là U, 3N7; Ge, 8N nhỏ hơn 0.2% và mẫu được đặt trong thuyền Tantan (Ta) trong môi trường chân không là ống thạch anh cùng với một ít Zr và được ủ ở nhiệt độ 1100 0 trong một tuần. Những phép đo về nhiễu xạ tia X đa tinh thể đã chỉ ra rằng những mẫu có cấu trúc orthorhombic ZrGa 2 cùng hằng số mạng rất gần với những công bố trong tài liệu [12] và không có mặt của tạp chất. Kích thước của mẫu thông thường để đo điện trở vào khoảng 0.7×0.7×0.1 mm 3 . Các điện cực nối với mẫu cũng đã được thực hiện bằng phương pháp bốc bay Au trên bề mặt và sau đó được gắn vào những sợi dây Au sử dụng công nghệ Epo - Tech H20E silver epoxy. Những phép đo điện trở ở áp suất cao cũng được thực hiện cùng với một cặp thiết bị là Xylanh - Pittông bằng CuBe và nó có thể tạo ra áp suất 20 KBar sử dụng muối Fluorinert FC75 như là một môi trường để điều chỉnh áp suất. Áp suất được đo một cách gián tiếp từ việc chuyển dời siêu dẫn của áp kế Zn hoặc Pb [67] cùng với sai số vào khoảng ± 0.5 KBar. Các phép đo điện trở ở nhiệt độ từ 1K ÷ 300 K cũng đã được thực hiện trong máy làm lạnh Hêli với cầu điện trở xoay chiều ở tần số 16 KHz cùng với dòng kích thích từ 1 mA ÷ 10 mA. Các phép đo về điện trở và hệ số cảm từ xoay chiều ở nhiệt độ 0.05 K ÷ 2 K cũng đã được thực hiện trong máy [...]... positron điện tử hai chiều, ba là sự phụ thuộc của tần số góc trong hiệu ứng Hass van Alphen, các tác giả [8] dự đoán rằng thế tương tác giữa các electron 5f là U = 2eV Những công trình này là kế thừa của các nghiên cứu 12 trước đây Gần đây, Okane cùng các cộng sự [47] đã đo phổ đa sắc từ hấp thụ tia X của U ở các biên N4,5 và N2,3 cũng như của Ge tại các biên L2,3 của chất siêu dẫn sắt từ UGe2 ở trạng... 2.1 Các tính chất vật lí của UGe2 Các tính chất vật lí của UGe2 là các giá trị nội suy cho điện trở ρ ở các áp suất khác nhau, trong đó TC được định nghĩa như điểm giữa của những bước nhảy trong đồ thị d , nhiệt độ điểm uốn T0 cũng được xác định từ các kì dị của dT đường cong d Các đại lượng B và n được rút ra từ nội suy nhiệt độ cao của dT n đường cong  (T ) đối với dạng hàm số   0  BT Các. .. mở cho những nghiên cứu lý thuyết xa hơn nữa 2.4 Sự phụ thuộc của độ từ hoá vào nhiệt độ Các phép đo độ từ hoá của UGe2 được thực hiện ở các nhiệt độ xác định và được biểu diễn ở các đồ thị của Arrot [2] (Một trục là M 2 còn trục kia là H trong hình 2.8) M Hình 2.8 Đồ thị của M 2 phụ thuộc vào H cho UGe2 M Các đường tròn trắng biểu diễn sự phụ thuộc của M 2 vào H Các M 2 đường nét đứt là các fits số... bố spin đối với các mô men từ được hình thành từ tạp chất Các phương pháp XMCD đo được độ hấp thụ của tia X với các trạng thái định hướng spin trái ngược nhau Nghiên cứu vị trí của electron lớp 5f trong hợp chất Uranium thường được thực hiện bằng phương pháp năng lượng xuyên ngầm của tia X gần 11 các biên M 4,5 của Uranium Trong đó các lưỡng cực điện có sự chuyển dời giữa các trạng thái 3d 3 / 2.5 /... mất và tính sắt từ cũng biến mất ở khoảng 1.7 GPa Do đó, siêu dẫn và sắt từ trong UGe2 dường như liên hệ mật thiết với nhau mặc dù cơ chế của siêu dẫn vẫn chưa được hiểu đầy đủ và điều này rất quan trọng đối với các tính chất từ đặc trưng của UGe2 Kĩ thuật phổ XMCD phát triển trong những năm gần đây đã được ứng dụng vào các thiết bị đo từ kế để phân biệt các quĩ đạo riêng và phân bố spin đối với các mô... ~ 7 eV phía trên biên, độ lớn của phổ này thường không lớn lắm mặc dù ở các vị trí liên kết 13 Chương 2 CÁC TÍNH CHẤT TỪ VÀ SIÊU DẪN CỦA UGe2 2.1 Sự phụ thuộc các tính chất điện và từ vào cấu trúc tinh thể • Orthorhombic : a = 4.036 Ao ; b = 14.928 Ao ; c = 4.116 Ao • Nguyên tử U được bao quanh bởi 10 nguyên tử Ge Hình 2.1 Cấu trúc tinh thể của UGe2 [12] Sắt từ UGe2 có tính bất đẳng hướng cao cùng với... điện trở xoay chiều ở tần số 12 Hz và dòng kích thích từ 50 µA ÷ 500 µA Những phép đo về nhiệt độ thấp đã được thực hiện bằng việc giữ nhiệt độ trong khoảng 60 giây Các phép đo từ hoá cũng được thực hiện trên máy từ kế điện tử MPMS trong khoảng nhiệt độ 1.8 K ÷ 300 K trong khi từ trường tăng đến 5.5 T 1.2 Một số kết quả nghiên cứu tính chất điện và từ của UGe2 bằng phương pháp phổ đa sắc từ tia X (X... thuộc của độ từ hoá vào nhiệt độ Hình 2.7(a) Biểu diễn sự phụ thuộc của độ từ hoá vào nhiệt độ tại áp suất 1.18 GPa dưới từ trường khác nhau đặt dọc trục ưu tiên a Hình 2.7(b) Vẽ  như một hàm của trường ngoài H ext Hình 2.7(c) Nghịch đảo mức năng lượng Fermi 1 là hàm của nhiệt dung [5] EF Hình 2.7(a) cho thấy sự từ hoá một chiều M(T) tại 1.18 GPa (nhỏ hơn PX) trong từ trường ngoài Hexf (Độ từ hoá của. .. hình Stoner Khe trong các dải năng lượng chuẩn hạt nặng sẽ tăng tuyến tính với từ trường tuỳ theo hiệu ứng Zeeman như sau:  ( H )    2 g  B SH (2.3) Ở đây Δ là một giá trị từ trường bằng không, g và s là hệ số và độ lớn của spin chuẩn hạt, μB là magneton Bohr Giá trị ∆ ~ 12 K được ước tính từ phép ngoại suy khi từ trường bằng không, kết quả phù hợp với giá trị nhận được từ phép đo cường độ đỉnh... cả cho tất cả các hợp chất Uranium mà chúng được nghiên cứu cho đến nay là: Thứ nhất, Tính lưỡng tính (đa sắc) tại biên M 4 lớn hơn rất nhiều đôi khi là một bậc so với tại biên M5 Thứ hai, hiện tượng đa sắc gần biên M 4 có một cực trị âm mà không có cấu trúc riêng nào cả, mặt khác ở biên M 5 tìm thấy hai cực trị một dương và một âm Khi quan tâm dạng đường cong tín hiệu XMCD của các hợp chất kim loại . của từ và siêu dẫn 1.1. Sự tồn tại của từ trong siêu dẫn 1.2. Một số kết quả nghiên cứu tính chất điện và từ của UGe 2 bằng phương pháp phổ XMCD Chương 2. Các tính chất từ và siêu dẫn của. đích nghiên cứu Nghiên cứu tính chất từ, điện và chuyển pha từ trong vật liệu siêu dẫn từ nói trên. 3. Đối tượng nghiên cứu Những vật liệu sắt từ được cấu trúc từ những nguyên tử không mang từ. ………………………….… 11 Chương 2. Các tính chất từ và siêu dẫn của UGe 2 . 14 2.1. Sự phụ thuộc các tính chất điện và từ vào cấu trúc tinh thể 14 2.2. Giản đồ pha T - P của hệ từ siêu dẫn 17 2.3. Mô