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Submitted on 1 Jan 1971
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INTERACTION D’ÉCHANGE DANS EuGaG : Mn2+
J. Hodges, R. Krishnan
To cite this version:
J. Hodges, R. Krishnan. INTERACTION D’ÉCHANGE DANS EuGaG : Mn2+. Journal de Physique Colloques, 1971, 32 (C1), pp.C1-197-C1-199. �10.1051/jphyscol:1971160�. �jpa-00214487�
JOURNAL IIE PHYSIQUE Colloque C I , supplkment au no 2-3, Tonze 32, Fkorier-Mars 1971, page C 1 - 197
INTERACTION D'ECHANGE DANS EuGaG : Mn2+
J. A. HODGES (*) et R. KRISHNAN (**)
Rkumk. - L'6tude par resonance paramagnetique electronique a 16 GHz de I'ion MnZ+ substitue dans chacun des trois sites des quatre grenats diamagnetiques YAIG, YGaG, LuAlG et LuGaG montre que le facteur g a une valeur de 2,001 dans tous les cas.
Pour le grenat paramagnetique EuGaG, nous observons que l'ion Mnz+ n'entre que dans le site dodkaedrique et que le facteur g devient anisotrope gz = 1,991 [I], gv = 1,998 [I] et gz = 2,008 [I].
Cette anisotropie peut s'exprimer au moyen d'une interaction d'echange entre I'ion MnZ+ et les ions Eu3+ qui depend de l'etat orbital de l'ion Eu3+.
Vex = - 2 C Z auv Yuv(Lt) S i . S j .
i,j u,v
Apres corrections pour les effets dus aux interactions dipolaires magnetiques, on obtient pour les divers coefficients les valeurs :
C ato = - 0,04 , C a:o = - 0,10 et Z a;Z = $- 0,10 cm-1
k k k
la sommation Ctant faite sur les k voisins. Si on limite k aux voisins les plus proches, on peut egalement krire le terme d'ordre zero sous la forme J Sc.Sj ou J prend la valeur : + 0,02 cm-1.
Abstract. - EPR measurements have been made at 16 GHz of Mnz+ substituted into each of the three sites of the four diamagnetic garnets YAIG, YGaG, LuAlG and LuGaG. The g value was found to be 2.001 in each case. For the system EuGaG : Mnz+ at 77 OK, only one spectrum due to ions in dodecahedra1 sites was detected. No shifts relative to the diamagnetic garnets were found for the crystalline field or hyperfine interaction parameters. However, the g factor is now anisotropic gz = 1.991 [I], g, = 1.998 [l] and gz = 2.008 [I]. These anisotropic shifts can beexpressed in terms of an orbital dependent exchange interaction between the Mn2+ ions and the Eu3+ ions of the form
After corrections due to magnetic dipole interactions the coefficients in this expansion expressed as a summation over neighbours k are
C a& = - 0.04 , C a:o = - 0.10 and C a;2 = + 0.10 cm-1 .
k k k
Limiting k to the nearest Eu neighbours the isotropic term can alternatively be written JSr.Sj with Jequal to + 0.02 cm-I.
An English version of this paper is available from the authors on request.
1. Introduction. - Les mesures de Resonance Para- magnttique Electronique effectutes sur des ions subs- tituts dans un monocristal de grenai d7Europium Gallium (EuGaG) permettent de mesurer I'interaction d'tchange entre l'ion substitut et les ions paramagnb tiques Eu3+ de la matrice. En effet, le dtplacement des parametres de 17Hamiltonien de Spin pour l'ion substitut par rapport aux parametres relatifs au mCme ion dans une strie de grenats diamagnetiques isomor- phes fournit des informations directes sur l'interaction d'tchange. Cette technique peut s'appliquer, gtntra- lement aux cristaux formts d'ions dont I'ttat fonda- mental est un singulet, mais convient plus particulie- rement aux cristaux formts d'ions Eu3+ pour lesquels on connait & la fois I'energie et les fonctions d'ondes des Ctats excitb.
Pour I'ion substitui, nous avons choisi Mn2+
parce que nous avons observe que cet ion entre dans chacun des trois sites pour les quatre grenats diamagnttiques YAlG [I], YGaG, LuAlG et LuGaG.
I1 semblait donc probable que l'ion Mn2+ entrerait Cgalement dans les trois sites de EuGaG, ce qui aurait permis de mesurer trois interactions d'Cchange diffe- rentes dans le m&me cristal. Cependant, pour EuGaG
(*) Laboratoire de Magnetisme, Tour 22, Universitc! de Paris, Quai St Bernard, Paris 5e, France.
(**) Laboratoire de Magnetisme et Physique du Solide CNRS, 92, Bellevue, France.
nous n'avons pu observer la prtsence de I'ion Mn2+
que dans le site dodtcatdrique. Nous nous limiterons dans ce rapport au seul cas de I'ion Mn2+ dans le site dodkcatdrique.
2. RCsultats et Discussion. -- Les mesures ont Ctt faites B 16 GHz et B 4,2 ou 77 OK pour les grenats diamagnttiques et B 770K pour EuGaG. Pour les grenats diamagnitiques, les pararn2tres qui nous intt- ressent restent presque constants entre 4,2 et 77 OK.
Nos resultats (voir table) sont exprimts au moyen des parametres usuels de I'Hamiltonien de Spin.
Comme le montrent les rtsultats, il n'ttait pas pos- sible de mesurer tous les paramkres pour les grenats diamagnttiques. En effet, quelques-unes des resonances qui nous auraient inttressts ttaient noyCes dans d'au- tres rksonances du cristal. En particulier, pour YGaG, la plupart des rbsonances dues I'ion Mn2+ en site dodkaddrique sont cachtes par les rtsonances dues au mCme ion en site octaCdrique dont l'intensitt est relativement beaucoup plus forte.
On voit que les paramhtres du champ cristallin et les paramktres d'interaction hyperfine sont sensible- ment les mCmes pour les grenats diamagnktiques et pour EuGaG. Cependant, le facteur g, isotrope et tgal ii 2,001 pour les grenats diamagnttiques, devient ani- sotrope pour EuGaG et presente des deplacements relatifs qui sont Ag, = -I- 0,007, Ag, = - 0,003 et Agx = - 0,010.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1971160
C1 - 198 J. A. HODGES ET R. KRISHNAN
Paramitres expe'rimentaux de I' Hamiltonien de Spin ( x 10- cm - ') pour l'ion Mn2 '
dans le site dode'cakdrique des grenats Lu AlG
-
gz 2,001 [l]
gy 2,001 [ l l
gx -
B: - 127,4 [2]
B: - 115,s [6]
B: - 0,02 [l]
B: -
B: -
(B: + B:) 0,23 [15]
(B: + 8:) - 243,2 [8]
Az - 86,2 [2, 01
A, - 88,O [2, 51
Ax -
YAlG LuGaG
- -
2,001 [ l l 2,001 [ll 2,001 [ll 1,999 [3]
2,001 [11
- 102,2 [2] - 11 1,8 [3]
- 167,8 [5] - 101,3 [6]
- 0,006 [3] - 0,004 [4]
On peut dicrire cette anisotropie au moyen d'une interaction d'khange entre les ions de Mn2 + et Eu3 +
qui dtpend de l'ttat orbital de l'ion Eu3+ [2].
D'oh l'on obtient pour les dtplacements du facteur g Ag, = - 1 x (16 a),, - 24 a:,)
A k
Agy = 3 1 x (16 a),, + 12 a:, + 12 a:,)
k
Ag, = 7 1 ,c (16 a),, + 12 a:, - 12 a:,)
k
ou la sommation est faite sur les voisins k et oh A est une moyenne de 1'6nergie des trois ttats excitts F, = 1.
(Des mesures optiques dans EuGaG donnent des valeurs 304,330 et 407 cm- ' pour ces trois niveaux [3].) Apr&s avoir corrigt pour les effets dipolaires [4] on obtient :
Si on limite k aux voisins les plus proches, on peut k r i r e tgalement la composante isotrope sous la forme J S i . S j avec une valeur pour J de + 0,02 cm-'.
En ce qui concerne 1e site dodecaedrique dans les grenats, on peut associer l'axe x du site local avec une des directions (100) du cristal. Par contre, il y a une ambiguitt de choix entre les deux autres axes locaux, c'est-A-dire entre l'axe local y et l'axe local z. Pour exprimer nos rbultats, nous avons choisi d'associer B gy celle des deux valeurs qui est plus proche de la
valeur g,. Comme on I'a vv, on obtient des valeurs du mCme ordre de grandeur pour, aio et pour
k
C a t z . Si on adoptait l'autre choix, c'est-a-dire
k
YGaG EuGaG
- -
- 2,008 [ l l
1,998 [ l ]
- 1,991 [ l ]
- - 75,l [2]
- -140,7 [5]
- - 0,16 [2]
- - 0,039 [24]
- 0,127 [30]
- 0909 Dl
- 235,2 [6] -215,8 [8]
- - 85,2 [4]
- 88,3 [2, 51 - 85,9 [4]
- - 84,3 [4]
AgY = + 0,007 et Ag, = - 0,003, on obtiendrait pour
C a:, une valeur 8 fois plus tlevee que a:o. On
k k
ne peut pas trancher entre les deux possibilitks bien que le premier choix avec a:, et C ato de m&me
k k
ordre de grandeur semble &tie plus rcaliste.
On peut cornparer nos rtsultats avec ceux qui se rapportent a l'ion Gd3+ dans EuGaG [4]. Dans ce cas, contrairement a ce qui se passe pour l'ion Mn2+, en plus de l'interaction dipolaire il sufit simplement du parametre de l'ordre zero ato = - 0,13 pour dtcrire
k
completement les resultats exptrimentaux. Ceci differe donc sensiblement des rksultats pour l'ion Mn2+. Cette difftrence de comportement entre deux ions se trou- vant tous les deux dans l'ttat S montre que l'interac- tion d'khange entre l'ion substitue et Ies ions Eu3+ ne dtpend pas que de l'etat fondamental S mais aussi des etats excitts. Dans le cas prbent, le manganbe se trouve dans l'etat bivalent et comme tel introduira des effets de polarisation qui eux aussi pourront influencer les liaisons de super-tchange entre I'ion Mn2+ et les ions Eu3+. NOS rtsultats montrent que l'ion Mn2' n'est pas associt avec un centre de compensation de charge localisk dans le voisinage de I'ion Mn2+.
Les paramttres du champ cristallin pour Mn2+ et pour Gd3+ ne sont pas modifits par la prtsence des ions Eu3+ paramagnttiques. Ceci diff&re du cas des ions substituts dans le site octatdrique d'EuGaG oh il y a, a la fois, dtplacement des parametres du deu- xieme ordre du champ cristallin et dtplacement du facteur g 14, 51. Tandis que les dtplacements du facteur g ne sont associts qu'avec des elements de matrice concernant l'ttat F, = 1 de I'ion Eu3+, 1es dtplace- ments concernant des paramttres du champ cristallin du deuxicme ordre sont associts aux tltments de matrice concernant tous les ttats excitts F,.
L'absence de deplacement pour les parambtres du champ cristallin de deuxieme ordre, relatif aux sites dodtcatdriques est probablement due A l'annulation d'une somme de contributions provenant des difftrents
INTERACTION D'ECHANGE DANS EuGaG : Mnz. C 1 - 199 niveaux. Nos resultats montrent que 1a presence de
deux termes du deuxigme ordre C $, de mCme gran-
k
deur environ, et de signes oppods pourraient contri- buer h cette annulation.
Bien que l'on n'ait pas observe l'ion MnZ+ dans les sites octaedrique et tetrahdrique, il n'est pas exclu qu'une petite quantitk de cet ion entre nkanmoins dans ces sites. En effet, si les param6tres du champ cristallin de deuxigme ordre sont sensiblement rkduits pour EuGaG par rapport aux grenats diamagnetiques (ce qui
est en fait le cas pour l'ion Fe3' en site octakdrique 141) les resonances dues h I'ion Mn2+ en site octa- Bdrique et tktrakdrique se trouveront dans une region oh elles seront cachkes par les resonances provenant de Mn2+ en site doddcaedrique. On peut dire que les quantites de I'ion Mn2+ en site octakdrique et tbtra- kdrique sont au moins dix fois plus petites qu'en site dodCcaCdrique.
Remerciements. - Nous remercions M.-H. Makram qui nous a fourni les cristaux de YAlG et YGaG.
[I] HODGES (J. A.), DORMANN (J. L.) et MAKRAM (H.), [4] HUTCHINGS (M. T.), WINDSOR (C. G.) et WOLF (W. P.), Phys. Stat. Sol., 1969, 35, 925. Phys. Rev., 1966, 148, 4444.
[2] HUANG (N. L.) et VAN VLECK (J. H.), Sol. State [5] SROUBEK (Z.), ZDANSKY (K.) et VICHR (M.), Phys.
Comm., 1968, 6 , 557. Letters, 1966, 21, 264.
[3] BOCCARA (A. C.) et MOREAU (N.), Communication personnelle.
