Magnetyzm związków macierzystych nadprzewodników na bazie żelaza badany metodą spektroskopii mössbauerowskiej

Abstract

W rozprawie przedstawiono wyniki badań oddziaływań nadsubtelnych pozwalających na wyznaczenie struktur magnetycznych wybranych związków macierzystych nadprzewodników na bazie żelaza. Badania wykonane zostały przy użyciu spektroskopii efektu Mössbauera dla izotopu [57]Fe oraz [151]Eu, w zakresie temperatur 4,2 K – 300 K. Wyboru związków do badań, należących do pniktydków i chalkogenków żelaza, dokonano w oparciu o ich unikalne właściwości magnetyczne oraz przynależność do różnych rodzin nadprzewodników na bazie żelaza. Wyniki badań świadczą, że w związkach tych występują specyficzne rodzaje porządku magnetycznego jak: magnetyczne spirale spinowe (FeAs, FeSb), fale gęstości spinowej – SDW (PrFeAsO, Eu(Fe[1-x]Co[x])[2]As[2]) oraz antyferromagnetyczne drabiny spinowe (BaFe[2]Se[3]). Dla spinowych spirali magnetycznych propagujących wzdłuż osi krystalograficznej c wyznaczono odwzorowanie nadsubtelnego pola magnetycznego na płaszczyznę krystalograficzną a-b i stwierdzono anizotropię związaną z magnetyczną polaryzacją wiązań chemicznych żelazo-pniktogen. Ponadto, stwierdzono występowanie silnego oddziaływania fonon-magnon prowadzącego do sprzężenia pomiędzy magnetyzmem i dynamiką sieci krystalicznej objawiającego się usztywnieniem sieci w temperaturze porządkowania magnetycznego. Dla struktur magnetycznych typu fali gęstości spinowej wyznaczono ewolucję kształtu fali oraz jej średniej amplitudy w funkcji temperatury. Ponadto, określono wpływ uporządkowania zlokalizowanych momentów magnetycznych 4f ziem rzadkich prazeodymu i europu na wędrowny porządek magnetyczny 3d typu SDW. W przypadku uporządkowania antyferromagnetycznego w związku BaFe[2]Se[3] badania metodą spektroskopii mössbauerowskiej pozwoliły na rozróżnienie dwóch skręconych względem siebie drabin magnetycznych oraz dwóch nierównoważnych położeń żelaza w obrębie pojedynczej drabiny spinowej.

This dissertation presents the results obtained by means of the [57]Fe and [151]Eu transmission Mössbauer spectroscopy as far as magnetic order is considered in the parent compounds of the iron-based superconductors. The measurements were performed for the temperature range between 4.2 K and 300 K. Different types of magnetic structures have been identified and characterized. For the FeAs and FeSb compounds magnetism of the 3d electrons has itinerant character with varying admixture of the spin-polarized covalent bonds. The hyperfine fields on iron are restricted to the a–b plane and are likely to form spirals propagating along the c-axis and incommensurate with the lattice period along this direction. Anisotropy is strongly direction dependent of the magnetically polarizable bonds. Another unusual feature is strong coupling between magnetism and lattice dynamics i.e. very strong phonon–magnon interaction. In magnetic order temperature lattice hardening occurs without visible structural transition. For the ‘122’ (Eu[1-x]Ca[x]Fe[2]As[2]) and ‘1111’ (PrFeAsO) iron-arsenic compounds, a longitudinal spin density wave (SDW) with complex shape develops. The shape of SDW evolves significantly with temperature forming narrow sheets of significant spin density at the onset of the transition. The magnetic sheets broaden and finally a quasi-rectangular shape is formed and spectra are almost the same as for the single precisely defined field, the latter being characteristic of the classical anti-ferromagnetism. Furthermore, in this compounds the rare earth moments remain localized and they are weakly coupled to SDW. Spin structure of BaFe[2]Se[3] compound – representative for iron-selenium compound is quite complex. In this compound the antiferromagnetic spin-ladders have been identified. Presence of two groups of iron sites seen by the Mössbauer spectroscopy in the magnetically ordered state is likely to reflect presence of two spin ladders within this structure.