Торсионные исследования релаксационных магнитных эффектов в фуллерите С₆₀ в магнитном поле

В динамических низкочастотных (0,1–1 Гц) колебательных и статических (без колебаний) экспериментах с использованием высокочувствительной торсионной техники исследованы температурные зависимости магнитных свойств фуллерита С₆₀ в поперечных и продольных по отношению к оси колебаний магнитных полях. Т...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2019
Автори:	Чигвинадзе, Дж.Г., Ашимо, С.М., Долбин, А.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України 2019
Назва видання:	Физика низких температур
Теми:	Наноструктури при низьких температурах
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/176124
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Торсионные исследования релаксационных магнитных эффектов в фуллерите С₆₀ в магнитном поле / Дж.Г. Чигвинадзе, С.М. Ашимов, А.В. Долбин // Физика низких температур. — 2019. — Т. 45, № 5. — С. 620-627. — Бібліогр.: 27 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-176124
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1761242021-02-04T01:29:43Z Торсионные исследования релаксационных магнитных эффектов в фуллерите С₆₀ в магнитном поле Чигвинадзе, Дж.Г. Ашимо, С.М. Долбин, А.В. Наноструктури при низьких температурах В динамических низкочастотных (0,1–1 Гц) колебательных и статических (без колебаний) экспериментах с использованием высокочувствительной торсионной техники исследованы температурные зависимости магнитных свойств фуллерита С₆₀ в поперечных и продольных по отношению к оси колебаний магнитных полях. Температурное положение наблюдавшихся пиков затухания осцилляций, связанных с фазовыми переходами, зависело от направления изменения температуры (охлаждение или нагрев). Наиболее четкие переходы, сопровождаемые реориентационными процессами магнитных моментов диполей, зафиксированы в области структурного (Fm3m–Pa3) перехода при Т ≈ 260 К, а также при температурах Т ≈ 180–200 К. Обнаружена область «Хаоса» — скачкообразного изменения магнитных свойств, а также направления «спонтанного» поворота образца фуллерита относительно магнитного поля. Показано, что в определенных условиях время релаксации магнитных моментов молекулярных ротаторов, после которого образец фуллерита неоднократно изменяет направление своего вращательного движения, с увеличением температуры от 77 К до 280 К совпадает с «магическим» временем, которое наблюдали в статических экспериментах при комнатных температурах Т = 295 К. Сделано предположение о связи наблюдавшихся явлений с релаксационными процессами во вращательной подсистеме молекулярных ротаторов С₆₀, а также с захваченным фуллеритом магнитным потоком. У динамічних низькочастотних (0,1–1) Гц коливальних та статичних (без коливань) експериментах з використанням високочутливої торсіонної техніки досліджено температурні залежності магнітних властивостей фулериту С₆₀ в поперечних і поздовжніх відносно до осі коливань магнітних полях. Температурне положення спостережених піків загасання осциляції, які пов’язані з фазовими переходами, залежало від напрямку зміни температури (охолодження або нагрів). Найбільш чіткі переходи, які супроводжувалися реоріентаційними процесами магнітних моментів диполів, зафіксовані в області структурного (Fm3m–Pa3) переходу при Т ≈ 260 К, а також при температурах Т ≈ 180–200 К. Виявлена область «Хаосу» — стрибкоподібних змін магнітних властивостей, а також напрямку «спонтанного» повороту зразка фулерита відносно магнітного поля. Показано, що в певних умовах час релаксації магнітних моментів молекулярних ротаторів, після якого зразок фуллерита неодноразово змінює напрямок свого обертального руху, зі збільшенням температури від 77 К до 280 К, збігається з «магічним» часом, який спостерігали в статичних експериментах при кімнатних температурах Т = 295 К. Зроблено припущення про звэязок спостережених явищ з релаксаційними процесами в обертальній підсистемі молекулярних ротаторів С₆₀, а також із захопленим фулеритом магнітним потоком. The temperature dependences of the magnetic properties of C₆₀ fullerite in transverse and longitudinal magnetic fields are studied in dynamic low-frequency (0.1–1 Hz) vibrational and static (without oscillation) experiments using highly sensitive torsion techniques. The temperature position of the observed peaks of the damping of the oscillations associated with the phase transitions depended on the direction of the temperature change (cooling or heating). The most precise transitions, accompanied by reorientation processes of the magnetic moments of dipoles, are fixed in the region of the structural (Fm3m–Pa3) transition at T ≈ 260 K, and also at temperatures T ≈ 180–200 K. A region of «Chaos» was observed — an abrupt change in the magnetic properties, as well as the direction of the «spontaneous» rotation of the fullerite relative to the magnetic field. It is shown that under certain conditions the relaxation time of the magnetic moments of molecular rotators, after which the fullerite repeatedly changes the direction of its rotational motion, at increasing temperature from 77 K to 280 K, coincides with the «magic» time, which was observed in static experiments at room temperatures T = 295 K. It is suggested that the observed phenomena are related to the relaxation processes in the rotational subsystem of the C₆₀ molecular rotators, as well as to the magnetic flux captured by the fullerite. 2019 Article Торсионные исследования релаксационных магнитных эффектов в фуллерите С₆₀ в магнитном поле / Дж.Г. Чигвинадзе, С.М. Ашимов, А.В. Долбин // Физика низких температур. — 2019. — Т. 45, № 5. — С. 620-627. — Бібліогр.: 27 назв. — рос. 0132-6414 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/176124 ru Физика низких температур Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Наноструктури при низьких температурах Наноструктури при низьких температурах
spellingShingle	Наноструктури при низьких температурах Наноструктури при низьких температурах Чигвинадзе, Дж.Г. Ашимо, С.М. Долбин, А.В. Торсионные исследования релаксационных магнитных эффектов в фуллерите С₆₀ в магнитном поле Физика низких температур
description	В динамических низкочастотных (0,1–1 Гц) колебательных и статических (без колебаний) экспериментах с использованием высокочувствительной торсионной техники исследованы температурные зависимости магнитных свойств фуллерита С₆₀ в поперечных и продольных по отношению к оси колебаний магнитных полях. Температурное положение наблюдавшихся пиков затухания осцилляций, связанных с фазовыми переходами, зависело от направления изменения температуры (охлаждение или нагрев). Наиболее четкие переходы, сопровождаемые реориентационными процессами магнитных моментов диполей, зафиксированы в области структурного (Fm3m–Pa3) перехода при Т ≈ 260 К, а также при температурах Т ≈ 180–200 К. Обнаружена область «Хаоса» — скачкообразного изменения магнитных свойств, а также направления «спонтанного» поворота образца фуллерита относительно магнитного поля. Показано, что в определенных условиях время релаксации магнитных моментов молекулярных ротаторов, после которого образец фуллерита неоднократно изменяет направление своего вращательного движения, с увеличением температуры от 77 К до 280 К совпадает с «магическим» временем, которое наблюдали в статических экспериментах при комнатных температурах Т = 295 К. Сделано предположение о связи наблюдавшихся явлений с релаксационными процессами во вращательной подсистеме молекулярных ротаторов С₆₀, а также с захваченным фуллеритом магнитным потоком.
format	Article
author	Чигвинадзе, Дж.Г. Ашимо, С.М. Долбин, А.В.
author_facet	Чигвинадзе, Дж.Г. Ашимо, С.М. Долбин, А.В.
author_sort	Чигвинадзе, Дж.Г.
title	Торсионные исследования релаксационных магнитных эффектов в фуллерите С₆₀ в магнитном поле
title_short	Торсионные исследования релаксационных магнитных эффектов в фуллерите С₆₀ в магнитном поле
title_full	Торсионные исследования релаксационных магнитных эффектов в фуллерите С₆₀ в магнитном поле
title_fullStr	Торсионные исследования релаксационных магнитных эффектов в фуллерите С₆₀ в магнитном поле
title_full_unstemmed	Торсионные исследования релаксационных магнитных эффектов в фуллерите С₆₀ в магнитном поле
title_sort	торсионные исследования релаксационных магнитных эффектов в фуллерите с₆₀ в магнитном поле
publisher	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
publishDate	2019
topic_facet	Наноструктури при низьких температурах
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/176124
citation_txt	Торсионные исследования релаксационных магнитных эффектов в фуллерите С₆₀ в магнитном поле / Дж.Г. Чигвинадзе, С.М. Ашимов, А.В. Долбин // Физика низких температур. — 2019. — Т. 45, № 5. — С. 620-627. — Бібліогр.: 27 назв. — рос.
series	Физика низких температур
work_keys_str_mv	AT čigvinadzedžg torsionnyeissledovaniârelaksacionnyhmagnitnyhéffektovvfullerites60vmagnitnompole AT ašimosm torsionnyeissledovaniârelaksacionnyhmagnitnyhéffektovvfullerites60vmagnitnompole AT dolbinav torsionnyeissledovaniârelaksacionnyhmagnitnyhéffektovvfullerites60vmagnitnompole
first_indexed	2025-07-15T13:45:08Z
last_indexed	2025-07-15T13:45:08Z
_version_	1837720780691996672
fulltext	Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2019, т. 45, № 5, c. 620–627 Торсионные исследования релаксационных магнитных эффектов в фуллерите С60 в магнитном поле Дж.Г. Чигвинадзе, С.М. Ашимов Институт физики им. Е. Андроникашвили, ул. Тамарашвили, 6, г. Тбилиси, 0177, Грузия E-mail: ashimov.sabir@rambler.ru А.В. Долбин Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины пр. Науки 47, г. Харьков, 61103, Украина E-mail: dolbin@ilt.kharkov.ua Статья поступила в редакцию 21 сентября 2018 г., после переработки 3 декабря 2018 г. опубликована онлайн 26 марта 2019 г. В динамических низкочастотных (0,1–1 Гц) колебательных и статических (без колебаний) экспери- ментах с использованием высокочувствительной торсионной техники исследованы температурные зави- симости магнитных свойств фуллерита С60 в поперечных и продольных по отношению к оси колебаний магнитных полях. Температурное положение наблюдавшихся пиков затухания осцилляций, связанных с фазовыми переходами, зависело от направления изменения температуры (охлаждение или нагрев). Наи- более четкие переходы, сопровождаемые реориентационными процессами магнитных моментов дипо- лей, зафиксированы в области структурного (Fm3m–Pa3) перехода при Т ≈ 260 К, а также при темпера- турах Т ≈ 180–200 К. Обнаружена область «Хаоса» — скачкообразного изменения магнитных свойств, а также направления «спонтанного» поворота образца фуллерита относительно магнитного поля. Показа- но, что в определенных условиях время релаксации магнитных моментов молекулярных ротаторов, по- сле которого образец фуллерита неоднократно изменяет направление своего вращательного движения, с увеличением температуры от 77 К до 280 К совпадает с «магическим» временем, которое наблюдали в статических экспериментах при комнатных температурах Т = 295 К. Сделано предположение о связи на- блюдавшихся явлений с релаксационными процессами во вращательной подсистеме молекулярных рота- торов С60, а также с захваченным фуллеритом магнитным потоком. Ключевые слова: фуллерит С60, магнитная фаза, методика торсионных колебаний, динамические и ста- тические торсионные измерения. 1. Введение Одними из перспективных молекулярных магнит- ных материалов являются основанные на углероде структуры, демонстрирующие спонтанную (самопро- извольную) намагниченность даже при комнатной температуре [1] — «магнитный углерод». Одной из самых необычных форм углерода являются углерод- ные однослойные нанотрубки — каркасные нано- структуры, их диаметр может составлять несколько десятков ангстрем, а длина достигать нескольких мик- рон и даже миллиметров. В работе [2] сообщалось об экспериментальном обнаружении явления захвата маг- нитного потока в многосвязной структуре, состоящей из многослойных углеродных нанотрубок, а также в фрагментах катодных углеродных депозитов [3]. В работе [3] сделано предположение, что такие структу- ры «могут нести индуцируемые магнитным полем не- затухающие при низких (гелиевых) или очень слабо затухающие при высоких (комнатных) температурах токи». Из-за ярко выраженной необратимости кривых намагничивания, захвата магнитного потока и эффек- тов релаксации при высоких температурах авторы этой © Дж.Г. Чигвинадзе, С.М. Ашимов, А.В. Долбин, 2019 Торсионные исследования релаксационных магнитных эффектов в фуллерите С60 в магнитном поле работы проводят аналогию с явлениями, имеющими место в многосвязной сверхпроводящей структуре и вообще в сверхпроводниках второго рода. Наблюдение захвата магнитного потока при 300 К [2,3] поднимает вопрос о возможности существования сверхпроводи- мости при столь высокой температуре. Кроме того, известно, что в слабых электрических полях в таких структурах проявляется баллистический эффект — практически бездиссипативный электронный транс- порт [4]. Эти явления, безусловно, важны с точки зре- ния как фундаментальной, так и прикладной науки, что и стимулирует их всестороннее исследование послед- ние несколько десятилетий. Магнитные свойства различных аллотропных форм углерода, в том числе и фуллеренов, описаны в обзоре [5], где свойства наноуглерода рассматриваются с точ- ки зрения взаимосвязи структурного несовершенства и магнитного упорядочения. Дефекты типа «углеродная вакансия–углеродный адсорбированный атом» обла- дают высокой мобильностью и магнетизмом [6]. 2. Релаксационные эффекты в динамических и статических исследованиях фуллерита С60 Полученные в настоящей работе результаты целе- сообразно сопоставить с выполненными нами ранее исследованиями магнитных фаз и релаксационных эффектов как в чистом, так и в допированном щелоч- ным металлом (Rb) фуллерите С60. С использованием высокочувствительной техники [7] на основе торсион- ного маятника c чувствительностью на уровне СКВИД магнитометра [8] нами были изучены магнитные фазы чистого фуллерита С60 (99,98% thermally sublimed). Динамические (колебательные) исследования [9] в по- перечных и продольных магнитных полях показали различный характер пиков затухания осцилляций δ(Т) в зависимости от направления изменения температуры (охлаждение или отогрев). Так, например, в работе [9] ранее нами наблюдались диссипационные пики при 152, 195, 230 и 260 К по мере медленного отогрева от 80 К до комнатной температуры (рис. 1(а)) после про- цедуры охлаждения в магнитном поле FC (field cool). Последний пик при Т = 260 К, присутствующий неза- висимо от предыстории эксперимента, по всей види- мости, связан со структурным переходом (Fm3m–Pa3). Процедура FC позволила «заморозить» (зафиксиро- вать) вдоль направления Н магнитные моменты дипо- лей (упорядоченное состояние), и по мере отогрева образца и приближения к температуре фазового пере- хода наблюдать явление реориентации в системе маг- нитных моментов и переход к неупорядоченному со- стоянию. В экспериментах c охлаждением от 300 К до 150 К пики затухания осцилляций δ(Т) имели место при 280, 260, 240, 220 К и более широкий при 188 К (рис. 1(б)). Рис. 1. Температурные зависимости декремента затухания δ колебаний образца фуллерита С60, полученные [9] в поперечном магнитном поле H = 150 мТл при различных режимах: (а) медленный отогрев образца после резкого охлаждения (FC) до Т = 77 К; (б) медленное охлаждение от комнатной температуры до 150 К. Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2019, т. 45, № 5 621 Дж.Г. Чигвинадзе, С.М. Ашимов, А.В. Долбин Эти исследования были логичным продолжением изучения (выяснения) физических механизмов, лежа- щих в основе необычных магнитных явлений, наблю- давшихся нами [10–12] в экспериментах с допирован- ным рубидием фуллеритом Rb3C60 при Т >> Тс = 28,5 К. В этих исследованиях были обнаружены явления ги- гантского поглощения энергии осцилляций в нормаль- ном состоянии при Т ≈ 200 К, а также гигантского пиннинга магнитных моментов диполей. Более того, с изменением процедуры (предыстории измерений) нам удалось наблюдать смещение этих гигантских эффек- тов в область температур структурного перехода (Fm3m–Pa3, Т ≈ 260 К), связанного с упорядочением осей вращения молекул С60 [13–16]. Повторное и бо- лее сильное проявление магнитных свойств фуллерита Rb3C60, по характеру зависимостей δ(Т) и периода ко- лебаний t(T), напоминающих сверхпроводящий пере- ход, наблюдалось в области Т ≈ 200 К после выдержки фуллерита в течение нескольких дней при Т ≥ 40 °С. Для допированного молекулярного кристалла — фулле- рита Rb3С60 причиной этого могут быть явления, осно- ванные на приближении сильной связи, т.е. на локаль- ном взаимодействии допированных носителей тока (электронов, дырок) с внутримолекулярными колеба- ниями молекул С60. Модель, описывающая такое взаи- модействие, была впервые предложена для «молекуляр- ного металла» в [17,18]. В работе [19] отмечалось, что высокая исходная симметрия молекул фуллерита С60 и кубических гранецентрированных кристаллов типа А3С60 может привести к динамическому эффекту Яна–Теллера (JTE — Jahn–Teller effect), который проявляется в суще- ствовании сравнительно мягких электронно-колеба- тельных (вибронных) мод в фононном спектре С60. Наблюдавшиеся явления гигантского затухания и пиннинга в допированном фуллерите Rb3С60 при Т ~ 200 К [10–12] и при Т ~ 260 К, по всей видимости, связаны с магнитно-фазовыми переходами, присущими также чистому фуллериту С60. Отметим, что связан- ный со структурным переходом (Fm3m–Pa3) в фулле- рите С60 пик при Т = 260 К более ярко выражен (по амплитуде) в экспериментах с медленным охлаждени- ем (рис. 1(б)). Влияние предыстории измерений весьма сильно сказалось на проявлении и температурном диа- пазоне возникновения эффекта гигантского затухания осцилляций и (или) гигантского пиннинга в фуллерите Rb3C60. Логичным продолжением данных работ были торсионные исследования, выполненные нами на чис- том аксиально-симметричном образце фуллерита С60 (99,98% Term Sublimed), который имел форму таблет- ки диаметром 10,5 мм и высотой 5 мм. Результаты этих, в основном, статических исследований подробно изложены в работе [9]. В этой же работе были исследованы релаксацион- ные (статические А = 0°) магнитные процессы при ком- натной температуре Т = 295 К. Там же сделано предпо- ложение о связи этих явлений с релаксационными процессами во вращательной подсистеме молекуляр- ных ротаторов С60 и связанных с ними магнитных мо- ментов, а также с захваченным фуллеритом магнитным потоком и слабозатухающими вихревыми токами, ин- дуцированными в образце внешним магнитным полем. Отметим, что, согласно работе [20], магнитные свой- ства фуллерита определяются структурой молекул С60, а также упорядочением их вращательного движения в кристаллической решетке. При этом энергию враща- тельного движения молекулы как целого (Еrot), колеба- ний атомов в молекуле (Еosc) и движения электронов (энергия электронных состояний) в молекуле (Еel) можно с достаточно хорошим приближением считать независимыми друг от друга (так называемое прибли- жение Борна–Оппенгеймера). При этом их энергии существенно отличаются друг от друга по величине (Еrot << Еosc << Еel). С другой стороны, известно [5], что магнитный мо- мент молекул, которые образуют углеродную структуру, определяется, главным образом, суммарным спиновым магнитным моментом электронов и противоположным по знаку ванфлековским членом, учитывающим «при- мешивание» к основному состоянию молекулы возбу- жденных энергетических уровней вследствие дефор- мации электронной оболочки атомов приложенным внешним магнитным полем. Как показано в работах [21,22], этот эффект может существенно изменить маг- нитные свойства углеродных молекул. Мы полагаем, что наблюдаемые изменения затуха- ния колебаний образца в постоянном магнитном поле связаны с относительным движением свободных и ориентированных (запиннингованных) магнитных мо- ментов диполей (молекул С60). В свою очередь, это сопряжено с существенной перестройкой системы магнитных моментов диполей в конкретном темпера- турном интервале наблюдаемых диссипационных пи- ков затухания осцилляций. Как показано в работе [23], для сверхпроводников в смешанном состоянии взаимодействие между запин- нингованными и не запиннингованными (свободными) вихрями играет важную роль в динамических колеба- тельных процессах. Известно, что сила пиннинга су- щественно зависит от температуры, так, например, она стремится к нулю по мере приближения к Тс. При этом растет концентрация свободных вихрей и резко увели- чивается значение периода колебаний t (уменьшается частота ω). В наших экспериментах по мере увеличе- ния или уменьшения температуры исследуемого в нормальном состоянии фуллерита С60 изменяется не только относительная концентрация запиннингован- ных и свободных магнитных диполей, но и их ориен- тация относительно постоянного внешнего магнитного поля Н, что фиксируется с точностью до 10–4 рад по «самопроизвольному» повороту образца. Несомненно, 622 Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2019, т. 45, № 5 Торсионные исследования релаксационных магнитных эффектов в фуллерите С60 в магнитном поле если мы приближаемся к температуре, при которой про- исходит структурный и (или) магнитный фазовый пере- ход, то он будет зафиксирован в виде «простого» или иногда не совсем обычного гигантского изменения часто- ты и затухания осцилляций δ(Т), как в работах [10–12]. В настоящей работе были исследованы температур- ные зависимости магнитных свойств фуллерита С60 в поперечных и продольных по отношению к оси колеба- ний магнитных полях. Эксперименты были проведены в динамических низкочастотных (0,1–1 Гц) колебательных и статических (без колебаний) условиях с использовани- ем высокочувствительной торсионной техники для об- разца фуллерита С60 (спрессован давлением 0,1 ГПPa из поликристаллического порошка фирмы Term USA, Berkely, CA, размер зерна 1–3 мкм, чистота более 99,98% весовых, диаметр таблетки 10,5 мм, высота 5 мм). На рис. 2 приведены сравнительные температурные зависимости декремента затухания δ(Т) колебаний об- разца фуллерита С60, полученные в процессе медленно- го охлаждения в поперечном (вставка (a)) и продольном (вставка (б)) магнитных полях. Как видно на рисунке, несмотря на меньшее (в 25 раз) значение величины про- дольного магнитного поля Н = 5,6 мТл характер зависи- мости «основного» пика затухания при Т = 188 К сохра- нился, но при этом увеличился «фоновый» разброс значений δ(Т) ввиду ослабления сил пиннинга магнитных моментов диполей в относительно малых магнитных по- лях. В большем поперечном магнитном поле Н = 150 мТл (вставка (a)), соответственно, этот разброс меньше, а пик затухания при Т = 260 К больше, чем в продольном поле, так же, как и абсолютная величина затухания колебаний. Соответствующие температурные зависимости перио- да колебаний t(T) охлаждающегося от комнатной темпе- ратуры образца фуллерита С60 в продольном Н = 5,6 мТл и поперечном Н = 150 мТл магнитных полях при ам- плитуде аксиально-крутильных колебаний А = 1–1,2° приведены на рис. 3, где четко видны особенности t(T) в области структурного перехода (Fm3m–Pa3) при Т ≈ ≈ 260 К. Изменения на зависимости t(T), несомненно, связаны с происходящими в этой области температур переориентациями магнитных моментов диполей. Бо- лее того, наблюдается область «Хаоса», охваченная красным пунктиром, в которой проявлялись скачки значений t(T). В этой области наблюдался широкий пик затухания осцилляций δ(Т) (см. рис. 1(б) и 2), а также [10–12] гигантское изменение частоты и затуха- ния осцилляций в фуллерите Rb3C60. Для выяснения природы такого поведения периода колебаний нами были проведены исследования угла по- ворота φ0 неколеблющегося (А = 0°) образца фуллерита С60 при медленном охлаждении в постоянном магнитном поле (см. рис. 4). В этом случае перестройка (переориен- тация) магнитной дипольной системы должна проявиться в виде «самопроизвольного» поворота образца относи- Рис. 2. (Онлайн в цвете) Сравнительные температурные зависимости декремента затухания δ колебаний образца фуллерита С60, полученные в процессе медленного охлаждения от 295 К до 140 К: в поперечном магнитном поле H = 150 мТл (а); в отно- сительно меньшем продольном магнитном поле Н = 5,6 мТл (б). Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2019, т. 45, № 5 623 Дж.Г. Чигвинадзе, С.М. Ашимов, А.В. Долбин тельно внешнего магнитного поля Н. Сравнение ре- зультатов, приведенных на рис. 3 и 4, показывает, что в экспериментах с охлаждением образца фуллерита от Т ≈ 300 К до Т = 140 К как при колебательном режиме исследований, так и при отсутствии колебаний (А = 0°) проявлялись особенности не только в области структур- ного перехода (Fm3m–Pa3) при Т ≈ 260 К, но и в области Т = 200–180 К, где наблюдался «Хаос» в виде скачков зависимостей t(T) и φ0(Т), а также диссипационные пики в колебательных экспериментах (см. рис. 2). С нашей точки зрения, эта область «Хаоса» связана с проявления- ми магнитных фазовых переходов, а также с перестрой- кой и релаксационными процессами во вращательной подсистеме молекулярных ротаторов С60. Более подробного описания как тепловой предысто- рии образца, так и процесса бесколебательных (А = 0°) измерений по мере роста температуры требует резуль- тат, приведенный на рис. 5. При проведении этих изме- рений к образцу фуллерита С60, находящемуся в кон- тейнере из органического стекла, который соединен с подвесной системой, прикладывалось при комнатной температуре поперечное магнитное поле Н = 150 мТл. Затем система с образцом в магнитном поле резко ох- лаждалась жидким азотом (FC) до Т = 77 К. Далее ожидали, пока уровень охлаждающей жидкости опус- тится за счет медленного и естественного испарения в криостате и при этом также медленно возрастет тем- пература образца. Как показано на рис. 5, после про- цедуры FC образец в магнитном поле повернулся и «за- стопорился» в положении φ0 = –0,6° относительно положения φ0 = 0, в котором он находился первона- чально при Т = 295 К. Охлажденный в магнитном поле образец был неподвижен довольно длительное время (185 мин), несмотря на постепенное увеличение темпе- ратуры, и только по достижению Т = 103,5 К начал «са- мопроизвольно» поворачиваться. Известно, что ротаци- онное движение молекул С60 в простой кубической фазе (Ра3) осуществляется вокруг определенно ориентиро- ванных осей кубической ячейки, совпадающих с на- правлением объемных диагоналей куба [24,25]. Соглас- но работам [25–27], при температурах Т < 90 К вся молекулярная система фуллерита С60 переходит в ори- ентационно замороженное состояние (ориентационное стекло). Для поликристаллического фуллерита С60 в наших экспериментах относительное движение сво- бодных и ориентированных (запиннингованных) маг- нитных моментов диполей (молекул С60) при охлаж- дении образца в магнитном поле может приводить к частичному упорядочению магнитных моментов кри- сталлитов. В нашем случае выход из этого состояния по мере повышения температуры, надо полагать, про- исходит примерно через 185 мин только после дости- жения температуры Т = 103,5 К, когда образец фулле- Рис. 3. (Онлайн в цвете) Температурная зависимость периода колебаний t(T) охлаждающегося от комнатной температуры образца фуллерита С60 в продольном Н = 5,6 мТл и поперечном Н = 150 мТл магнитном поле. Рис. 4. Температурная зависимость угла «самопроизвольно- го» поворота φ0, охлаждающегося от комнатной температу- ры образца фуллерита С60 (без колебаний А = 0°) в продоль- ном магнитном поле Н = 5,6 мТл. Рис. 5. Температурная зависимость угла «самопроизвольно- го» поворота образца фуллерита С60 при А = 0° в процессе медленного отогрева образца от Т = 77 К после процедуры (FC) в поперечном магнитном поле Н = 150 мТл. 624 Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2019, т. 45, № 5 Торсионные исследования релаксационных магнитных эффектов в фуллерите С60 в магнитном поле рита, находящийся в постоянном магнитном поле, начал «самопроизвольно» поворачиваться, и через 35 мин изменил направление своего движения. Такое измене- ние направления произошло еще дважды через каждые 90 мин, слабые повороты наблюдались и далее в тече- ние более 8 ч. Нельзя не обратить внимание на «магическое время релаксации» — 90 мин для данного образца фуллерита С60, зафиксированное ранее в работе [9]. Это время, необходимое для изменения направления движения, обусловлено релаксационными процессами во враща- тельной подсистеме молекулярных ротаторов С60 и связанных с ними магнитных моментов, а также с за- хваченным фуллеритом магнитным потоком и слабо- затухающими вихревыми токами, индуцированными в образце внешним магнитным полем. Характер времен- ных зависимостей φ0 практически не изменялся, не- смотря на различные условия экспериментов, а имен- но: при комнатной температуре (Т = 295 К) и А = 0° в работе [9] и в данной работе при медленном увеличе- нии температуры образца от Т = 77 К до Т = 270 К при А = 0° в продольном магнитном поле Н = 150 мТл по- сле процедуры FC. В обоих случаях, в реальном, но разном по продолжительности времени экспериментов, исследуемый фуллерит трижды менял направление своего «самопроизвольного» вращательного движения. «Магическое время релаксации» — 90 минут, на- блюдавшееся в экспериментах при А = 0°, зафиксиро- вано и в динамических (колебательных) при А = 1–1,2° измерениях с медленным отогревом фуллерита после процедуры FC. На рис. 6 приведены температурные зависимости угла «самопроизвольного» поворота φ0 в поперечном магнитном поле Н = 150 мТл для случаев А = 1–1,2°, для сравнения на рис. 6 также приведены данные для А = 0° (рис. 5). Обращает внимание то, что в области предполагаемого ориентационно заморожен- ного состояния (ориентационное стекло), после того, как образец фуллерита был неподвижен длительное время (А = 0°) в интервале температур от Т = 77 К вплоть до Т = 103,5 К, при переходе к колебательному режиму (А = 1–1,2°) наблюдались довольно резкие из- менения φ0. Можно предположить, что вынужденные колебания системы заставляют магнитные диполи двигаться и разупорядочивают их ориентационно за- мороженное состояние. Наблюдаемая в колебатель- ном режиме величина «самопроизвольного» поворота φ0 в несколько раз больше по сравнению с экспери- ментом при А = 0°, а тот факт, что такие малые ам- плитуды колебаний образца приводят в движение магнитные диполи, говорит об относительно слабой силе их пиннинга даже при азотных температурах. В условиях колебательного режима при повышении тем- пературы образец фуллерита С60 дважды проходил положение при котором φ0 = 0, т.е. исходное положе- ние при Т = 295 К (до охлаждения), что свидетельству- ет о перестройке магнитных моментов диполей при колебаниях образца в поперечном магнитном поле. В работе [9] отмечалось, что в большинстве случаев после завершения измерений и отключения магнитно- го поля образец, отогретый до комнатной температуры и находящийся в остаточном поле Н = 2 мТл, не воз- вращается в свое первоначальное (нулевое) положение. В проведенных нами и описанных выше исследовани- ях по завершению эксперимента при Т ≥270 К образец фуллерита также не доходит до своего первоначально- го (до охлаждения) положения. Вероятной причиной этого может быть наличие в образце фуллерита захва- ченного потока и реориентированных относительно Н дипольных магнитных моментов, которые релаксиру- ют к исходному положению в течение многих часов, а иногда и дней. При этом процесс перестройки (реори- ентации) магнитных моментов в системе молекуляр- ных ротаторов исследуемого фуллерита С60, происхо- дящий благодаря тепловым флуктуациям и при комнатных температурах, проявляет особую чувстви- тельность к присутствию внешнего магнитного поля. По этой причине значения углов «самопроизвольного» поворота φ0 на рис. 6 даже при Т ≈ 270 К после завер- шения экспериментов достаточно далеки от φ0 = 0 — исходного при Т = 295 К положения. Необходимо отметить, что повторные измерения угла поворота образца, в котором не завершился про- цесс перестройки в системе, т.е. захваченный магнит- ный поток и магнитные моменты диполей не успели срелаксировать к своему «равновесному» состоянию (φ0 = 0) при комнатной температуре, кардинально из- меняют зависимость, показанную на рис. 5. Хотя фул- лерит, находящийся в ориентационно замороженном состоянии после процедуры FC, по мере повышения температуры Т ≥ 100 К начинает «самопроизвольно» поворачиваться в магнитном поле в ту или иную сто- рону, но отрезки времени, после которых изменяется Рис. 6. Температурные зависимости угла «самопроизвольно- го» поворота образца фуллерита С60 в поперечном магнит- ном поле Н = 150 мТл в статическом (А = 0°) и динамическом (А = 1–1,2°) экспериментах. Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2019, т. 45, № 5 625 Дж.Г. Чигвинадзе, С.М. Ашимов, А.В. Долбин направление движения, существенно отличаются от эксперимента к эксперименту. В процессе ежедневных измерений максимальная величина вращательного мо- мента, поворачивающая фуллерит С60, возрастает как в продольном, так и поперечном (в большей степени) магнитных полях. Заключение При помощи высокочувствительной торсионной техники исследованы магнитно-ориентационные явле- ния в фуллерите С60 в динамических и статических экс- периментах. Обнаружены области магнитных фазовых переходов, связанных с диссипативными процессами в магнитной дипольной системе, а также явления, объяс- няемые ориентационно замороженным состоянием (ориентационное стекло) фуллерита. Показано, что как колебательный режим исследований, так и бесколеба- тельный (А = 0°) выявляют особенности не только в об- ласти структурного перехода (Fm3m–Pa3) при Т ≈ 260 К, но и в области Т = 200–180 К, где наблюдается «Хаос» в виде скачков температурной зависимости периода колебаний и угла «самопроизвольного» поворота, что, по всей видимости, связано с магнитными фазовыми переходами, перестройкой и релаксационными про- цессами во вращательной подсистеме молекулярных ротаторов С60. Полученные температурные и времен- ные зависимости «самопроизвольного» поворота фул- лерита в магнитном поле (без колебаний А = 0°), со- поставлены с данными предыдущей работы [9] и отмечено их качественное согласие. _______ 1. K. Murata and H. Ushijima, J. NIMC 4, 1 (1996). 2. В.И. Цебро, О.Е. Омельяновский, А.П. Моравский, Письма в ЖЭТФ 70, 457 (1999). 3. В.И. Цебро, О.Е. Омельяновский, УФН 170, 906 (2000). 4. S. Frank, P. Poncharal, Z.L. Wang, and W.A. de Heer, Science 280, 1744 (1998). 5. Т.Л. Макарова, ФТП 38, 641 (2004). 6. P.O. Lehtinen, A.S. Foster, A. Ayuela, A. Krasheninikov, K. Nordlund, and R.M. Nieminen, Phys. Rev. Lett. 91, 017202 (2002). 7. S.M. Ashimov and Dzh.G. Chigvinadze, Instruments and Experimental Techniques 45, 431 (2002). 8. J. Chigvinadze, V. Buntar, S. Ashimov, T. Machaidze, and G. Donadze, Nanochemistry and Nanotechnologies. Proc. of Papers of the First International Conference. March 23–24 (2010), p. 238–244, Tbilisi, Georgia. 9. Дж.Г. Чигвинадзе, В. Бунтарь, С.М. Ашимов, А.В. Долбин, ФНТ 42, 159 (2016) [Low Temp. Phys. 42, 119 (2016)]. 10. J. Chigvinadze, V. Buntar, S. Ashimov, T. Machaidze, and G. Donadze, Superconductivity, arXiv: cond-mat/1006.5817. 11. J. Chigvinadze, V. Buntar, G. Zaikov, S. Ashimov, T. Machaidze, and G. Donadze, J. Characteriz. Develop. Novel Mater. 7, 327 (2015). 12. J. Chigvinadze, V. Buntar, G. Zaikov, O.Yu. Emelina, S. Ashimov, T. Machaidze, and G. Donadze, Вестник Казан- ского технолог. универ. 17, №2, 27 (2014). 13. P.A. Heiney, J.E. Fischer, A.R. McGhie, V.J. Romanov, A.M. Denenstein, J.P. McCauley, and A.B. Smith, Phys. Rev. Lett. III 66, 2911 (1991). 14. A. Dworkin, H. Szware, S. Leach, J.P. Hare, T.J. Dennis, H.W. Kroto, R. Taylor, and D.R.M. Walton. C.R. Acad. Sci. Paris II 312, 979 (1991). 15. P. Mondal, P. Lunkenheimer, and A. Loidl, Z. Phys. 99, 527 (1996). 16. J. Hora, P. Panek, K. Navatil, B. Handlilova, J. Humliek, H. Sitter, and D. Stifter, Phys. Rev. B 54, 5106 (1996). 17. K. Prassides, J. Tomkinson, C. Christides, M.J. Rosseinsky, D.W. Murphy, and R.C. Haddon, Nature 354, 462 (1991). 18. V. Elser and R.C. Haddon, Phys. Rev. A 36, 4579 (1987). 19. В.М. Локтев, Э.А. Пашицкий, Р. Шехтер, М. Йонсон, ФНТ 28, 1150 (2002) [Low Temp. Phys. 28, 821 (2002)]. 20. Y. Iwasa and T. Takenobu, J. Phys.: Condens. Matter 15, R495 (2003). 21. M.F. Ling, N.R. Finlayson, and G.L. Raston, Aust. J. Phys. 52, 913 (1999). 22. P.W. Anderson and Y.B. Kim, Rev. Mod. Phys. 36, 39 (1964). 23. V.P. Galaiko, JETP Lett. 17, 73 (1973). 24. P.A. Heiney, P.A. Fisher, A.R. McGhie, W.J. Romanow, A.M. Denenstein, J.P. McCauley, and A.M. Smith, Phys. Rev. Lett. 66, 2911 (1991) 25. W.I.F. David, R.M. Ibberson, T.J.S. Dennis, J.P. Hare, and K. Prassides, Eur. Phys. Lett. 18, 219 (1992). 26. R. Moret, Phys. Rev. B 48, 17619 (1993). 27. C. Meingast and F. Gugenberger, Mod. Phys. Lett. B 7, 1703 (1993). ___________________________ Торсіонні дослідження релаксаційних магнітних ефектів у фулериті С60 в магнітному полі Дж.Г. Чігвінадзе, С.М. Ашімов, О.В. Долбин У динамічних низькочастотних (0,1–1) Гц коливальних та статичних (без коливань) експериментах з використанням високочутливої торсіонної техніки досліджено температурні залежності магнітних властивостей фулериту С60 в попереч- них і поздовжніх відносно до осі коливань магнітних полях. Температурне положення спостережених піків загасання осциляції, які пов’язані з фазовими переходами, залежало від напрямку зміни температури (охолодження або нагрів). Най- більш чіткі переходи, які супроводжувалися реоріентаційни- ми процесами магнітних моментів диполів, зафіксовані в області структурного (Fm3m–Pa3) переходу при Т ≈ 260 К, а також при температурах Т ≈ 180–200 К. Виявлена область «Хаосу» — стрибкоподібних змін магнітних властивостей, а також напрямку «спонтанного» повороту зразка фулерита відносно магнітного поля. Показано, що в певних умовах час 626 Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2019, т. 45, № 5 https://doi.org/10.3367/UFNr.0170.200008f.0906 https://doi.org/10.1126/science.280.5370.1744 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.91.017202 https://doi.org/10.1023/A:1016048428894 https://doi.org/10.1023/A:1016048428894 https://doi.org/10.1063/1.4942229 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.66.2911 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.66.2911 https://doi.org/10.1007/s002570050072 https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.5106 https://doi.org/10.1038/354462a0 https://doi.org/10.1103/PhysRevA.36.4579 https://doi.org/10.1063/1.1528573 https://doi.org/10.1088/0953-8984/15/13/202 https://doi.org/10.1071/PH98098 https://doi.org/10.1103/RevModPhys.36.39 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.66.2911 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.66.2911 https://doi.org/10.1209/0295-5075/18/3/006 https://doi.org/10.1103/PhysRevB.48.17619 https://doi.org/10.1142/S0217984993001740 Торсионные исследования релаксационных магнитных эффектов в фуллерите С60 в магнитном поле релаксації магнітних моментів молекулярних ротаторів, після якого зразок фуллерита неодноразово змінює напрямок свого обертального руху, зі збільшенням температури від 77 К до 280 К, збігається з «магічним» часом, який спостерігали в ста- тичних експериментах при кімнатних температурах Т = 295 К. Зроблено припущення про звэязок спостережених явищ з ре- лаксаційними процесами в обертальній підсистемі молекуляр- них ротаторів С60, а також із захопленим фулеритом магніт- ним потоком. Ключові слова: фуллерит С60, магнітна фаза, методика тор- сіонних коливань, динамічні і статичні торсіонні вимірювання. Torsion studies of magnetic relaxation effects in fullerite C60 in magnetic field J.G. Chigvinadze, S.M. Ashimov, and A.V. Dolbin The temperature dependences of the magnetic properties of C60 fullerite in transverse and longitudinal magnetic fields are studied in dynamic low-frequency (0.1–1 Hz) vibrational and static (without oscillation) experiments using highly sensitive torsion techniques. The temperature position of the observed peaks of the damping of the oscillations associated with the phase transitions depended on the direction of the temperature change (cooling or heating). The most precise transitions, accompanied by reorientation processes of the magnetic moments of dipoles, are fixed in the region of the structural (Fm3m–Pa3) transition at T ≈ 260 K, and also at temperatures T ≈ 180–200 K. A region of «Chaos» was observed — an abrupt change in the magnetic prop- erties, as well as the direction of the «spontaneous» rotation of the fullerite relative to the magnetic field. It is shown that under certain conditions the relaxation time of the magnetic moments of molecular rotators, after which the fullerite repeatedly changes the direction of its rotational motion, at increasing temperature from 77 K to 280 K, coincides with the «magic» time, which was observed in static experiments at room temperatures T = 295 K. It is suggested that the observed phenomena are related to the relaxation processes in the rotational subsystem of the C60 molecular rotators, as well as to the magnetic flux captured by the fullerite. Keywords: fullerite C60, magnetic phase, torsional oscillation tech- nique, dynamic and static measurements, «spontaneous» rotation, relaxation time, trapped magnetic flux, molecular rotators. Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2019, т. 45, № 5 627 1. Введение 2. Релаксационные эффекты в динамических и статических исследованиях фуллерита С60 Заключение

Торсионные исследования релаксационных магнитных эффектов в фуллерите С₆₀ в магнитном поле

Репозитарії

Схожі ресурси