Một số vấn đề từ tính của các điện tử linh động trong một số hợp chất liên kim đất hiếm-kim loại chuyển tiếp

Hình 3. Sự phụ thuộc mạnh vào áp suất của chuyển pha tại 120 K thể hiện trên kết quả đo hệ
số dãn nở nhiệt d_L/L_o của mẫu đa tinh thể CeCo₄B.

    Trong Ce₂Co₇B₃ chúng tôi phát hiện thấy trong suốt dải nhiệt độ dưới nhiệt độ Curie T_C = 250 K, đường cong từ hóa có dạng chuyển pha cảm ứng bởi từ trường (field induced transition). Khi tăng nhiệt độ, chuyển pha này chuyển từ chuyển pha loại một (có bước nhảy từ độ) sang loại hai ở nhiệt độ khoảng 150 K, xem hình 4.

    Bản chất của hiện tượng này có thể do tồn tại trật tự phản sắt từ hoặc do quá trình từ giả bền do phân mạng Co gây ra. Khi nghiên cứu phổ 59Co NMR trên hợp chất này, F. Maruyama et al. [15] phát hiện thấy mômen từ của Co tại vị trí tinh thể 6i1 rất lớn hơn mômen từ tổng cộng. Đây là bằng chứng về tồn tại trật tự phản sắt từ. Các nghiên cứu hiệu ứng Kerr quang từ trên hệ hợp chất Ce(Fe1- xCox)2 gần đây tại ĐH Iowa khẳng định sự tồn tại trạng thái điện tử 4f linh động và điều này giải thích được các chuyển pha cảm ứng từ trường là do cấu trúc phản sắt từ trong các hợp chất này (quá trình spin flip) [16]. Nghiên cứu này củng cố các kết luận của chúng tôi về từ tính các điện tử 4f trong hệ Ce- Co-B và gợi ý rằng chuyển pha cảm ứng từ trường trong Ce₂Co₇B₃ cũng có thể do trật tự phản sắt từ giữa phân mạng 3d và 4f (từ tính các điện tử linh động 4f).

    Như trên đã viết, với CeCo₃B₂ (n= ∞), khoảng cách nguyên tử Ce-Ce dọc theo trục c rút ngắn chỉ còn 3 A, trong khi khoảng cách trục a vẫn vào khoảng 5 A, dẫn đến việc tạo nên một chuỗi nguyên tử Ce một chiều (pseudo 1D chain). Các phép đo chúng tôi tiến hành trên một mẫu đơn tinh thể (nuôi tại PTN Từ học Louis Néel, Grenoble) cho thấy hợp chất này là sắt từ với T_C = 140 K [17], xem hình 5. Vì rằng YCo₃B₂ và LuCo₃B₂ đều là các chất thuận từ Pauli và GdCo₃B₂ có trật tự sắt từ dưới 58 K, nhiệt độ Curie cao trong CeCo₃B₂ là do tương tác trao đổi trực tiếp của các điện tử 4f trong vùng năng lượng 4f. Hợp chất cũng có từ tính Ce-4f với nhiệt độ Curie cao tương tự là CeRh₃B₂, T_C = 115 K. Tuy nhiên chất này có trục dễ từ hóa trong mặt phẳng (a,b), trong khi CeCo₃B₂ có dị hướng đơn trục (c là trục dễ từ hóa). Phát hiện thấy hiện tượng sắt từ trong CeCo₃B₂ cũng được thông báo bởi Long Pham và các cộng sự năm 2006 khi nghiên cứu trên các mẫu đơn tinh thể [18], tuy nhiên các tính toán cấu trúc vùng năng lượng bởi Ito và Ido chưa khẳng định được điều này [14].

Hình 4 – 5

4. KẾT LUẬN

    Các hợp chất liên kim đất hiếm-kim loại chuyển tiếp đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng công nghệ điện từ và góp phần vào cuộc cách mạng công nghệ điện tử-tin học đã và đang diễn ra. Các tính chất vật lý đa dạng của các hợp chất này đã góp phần hoàn thiện các hiểu biết về từ tính vật liệu. Đặc biệt các nghiên cứu thực nghiệm dị hướng từ phân mạng 3d cho thấy từ tính 3d tuân theo mẫu vùng năng lượng, nhưng không phải một mẫu vùng đơn giản cho tất cả các nguyên tử 3d. Dị hướng của mỗi nguyên tử 3d cần được xem xét trong tác động của các yếu tố môi trường tinh thể đặc trưng xung quanh, ứng với trạng thái điện tử tương ứng trong vùng năng lượng “địa phương” của mình.

    Các nghiên cứu trên các hợp chất Ce_n+1Co_3n+5B_2n với n = 1, 2, 3 và ∞ cho thấy một loạt các tính chất dị thường, cụ thể là dị hướng từ rất lớn trong CeCo₄B và Ce₃Co₁₁B₄, chuyển pha đẳng cấu trúc và hiện tượng mềm hoá mạng tinh thể (lattice softening) trong CeCo₄B, hiện tượng chuyển pha cảm ứng bởi từ trường trong Ce₂Co₇B₃ và tương tác sắt từ mạnh trong CeCo₃B₂ đều có thể giải thích được bằng sự tồn tại của từ tính các điện tử Ce 4f linh động do sự chồng phủ của các trạng thái điện tử 4f, và sự lai hóa mạnh của các trạng thái 4f với các trạng thái 3d của Co và với s, p của B. Tuy nhiên cần các nghiên cứu tiếp theo trên các đơn tinh thể hợp chất liên kim CeCo₃B₂ để xác định các tính chất điện tử của hợp chất đặt biệt này.

    Lời cảm ơn: Các nghiên cứu được tiến hành trong một thời gian dài tại các PTN trong và ngoài nước, với sự cộng tác đặc biệt quan trọng của GS Nguyễn Phú Thuỳ, PTN Vật lý nhiệt độ thấp, ĐHKH tự nhiên; GS J. J. M. Franse ở Amsterdam University; của các đồng nghiệp tại Institut fuer Experimental Physik, TU Vienna (CH áo); Laboratoire du Magnétism Louis Neél, Grenoble (Pháp); Institute for Solid State Physics, Czech Academy of Sciences (CH Czech) và Department of Applied Physics, Tohoku Gakuin University (Nhật bản).

[symple_box color=”gray” text_align=”left” width=”100%” float=”none”]

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

1. Kết quả của S. Liu và các cộng sự năm 2004, xem http://www.udri.udayton.edu/NR/exeres/12BE8330-16AD- 4FF4-914A-0CBB9E334E7D.htm
2. Xem Magnetism: Fundamentals, Materials and Applications, Edit. E. du T. de Lacheisserie, D. Gignoux, M. Schlenker, Kluwer Academic Publishers; 2002
3. Jaccarino V., Walker L. R., Phys. Rev. Letters, 15, 1965, 209; trích lại trong O Handley R. C., Hara Y., Phys. Rev. B 35; 1987, 2576-2578
4. Williams A., Moruzzi V., Malozemoff A., Terakura K.; IEEE Transactions on Magnetics, Volume 19, Issue 5, 1983, 1983-1988
5. Streever R. L., Phys. Rev. B19, 1979, 2704
6. Thuy N. P., Franse J. J. M., J. Mag. Mag. Mat., 54-57, 1986, 915
7. Hong N. M., Franse J. J. M., Thuy N. P.; J. Less-Common Met. 155, 1989, 151-159; N. P. Thuy, N. M. Hong, T. D. Hien and J. J. M. Franse; Proc. 6th Intern. Symp. Magn. Anis. Coerc. In Rare Earth- Trans. Metal Alloys, Carnegie Mellon Univ., Pittsburgh, 25 Oct. 1990, Ed. S. G. Sankar (Carnegie Mellon University) Vol. II, p. 60-79
8. Coehoorn R., J. Magn. Magn. Mat., 99, 1991, p. 55-70, và Nordstrửm L. et al J. Phys. Condens. Matter 4, 1992, 3261-3272
9. Trích dẫn từ http://neel.cnrs.fr/spip.php?article1468
10. Hong N. M., published in Trends in Materials Science and Technology, Proc. of 3rd Intern. Workshop on Materials Science (IWOMS ’99), Hanoi, Nov. 1999, Eds. F. F. Bekker, N. D. Chien, J. J. M. Franse et al. (Hanoi National University Publishing House, 1999), 365-366, và các công trình được trích dẫn trong bài này.
11. Bartashevich, Goto T., Radwanski R. J., Korolyov A. V., J. Magn. Magn. Mat., 131,1994, 61-66
12. Nordstrửm L., Eriksson O., Brooks M. S. S., Johansson B.; Phys. Rev. B (Condensed Matter), 41, 1990, 9111-9120
13. Arnold Z., Hong N. M., Skorokhod Y., Machỏtova Z., Physica B, 327, 2003, 211-213
14. Ito T., Ido H., J. Appl. Phys., 105, Issue 7, 2009, pP. 07E511-07E511-3
15. Maruyama F., et al., Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 37, 1998, 1825-28
16. Lange R. J., et al., Phys. Rev. B, 62, 2000, 7084
17. Hong N. M., Communications in Physics, 17, 2007, 241-245
18. Long Pham, Sidorov V., Lashley J., Thompson J., Lee H., Fisk Z., Abstract: Z23.0001: Studies on single Crystal CeCo₃B₂, 2006, APS March Meeting, Monday – Friday, March 13-17, 2006, Baltimore, MD

[/symple_box][symple_clear_floats]