Low temperature specific heat of the Y-Gd and Sc-Gd spin glasses

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Submitted on 1 Jan 1979

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Low temperature specific heat of the Y-Gd and Sc-Gd spin glasses

B. Levesque, R. Caudron, P. Costa

To cite this version:

B. Levesque, R. Caudron, P. Costa. Low temperature specific heat of the Y-Gd and Sc-Gd spin glasses.

Journal de Physique Colloques, 1979, 40 (C5), pp.C5-266-C5-267. �10.1051/jphyscol:1979599�. �jpa-

00219016�

JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C5, supplkment au no 5, Tome 40,

Mai

1979, page CS-266

Low temperature specific heat of the Y-Gd and Sc-Gd spin glasses

B. Levesque, R. C a u d r o n a n d P. C o s t a

29, avenue de la Division-Leclerc, 92320 Chltillon-sous-Bagneux, France

Rksumk. - La transition de l'ktat paramagnktique A l'ktat de verre de spin a soul~vk beaucoup d'intkrbt [I].

Cependant, 1'Ctat de base des verres de spin est mal connu, si bien que le comportement B basse temperature de la chaleur spkcifique n'est pas bien compris. La controverse A propos de la distribution des champs locaux (Hei- senberg-Ising) en tkmoigne [2]. Rkcemment, Walker et Walstedt [3] sont arrives B simuler le comportement du Cu-Mn. La courbe qu'ils obtiennent n'est plus linkaire

A

basse tempkrature. Ce calcul est-il faux dans ce domaine 9 cause de problbmes de capacite de mkmoire. Au contraire, s'il est exact, les exptrimentateurs ont-ils confondu un point d'inflexion avec un comportement linkaire ? de telles courbures ont dkja 6tC constatkes [4]. Cependant, les experiences ont portk sur des systbmes prksentant de l'effet Kondo dans la limite diluke. Plus rtcemment, d'autres rksultats sont apparus, sur le systbme Cu-Mn [5]. 11s mettent en kvidence une courbure

a

basse tempk- rature, mais la soustraction de la chaleur spkifique hyperfine pose un problbme skrieux.

Les alliages de terres rares prtsentent moins de difficultks : - (i) 11s sont exempts d'effet Kondo.

- (ii) Les interactions directes f-f n'existent pas.

- (iii) La chaleur spkcifique hyperfine associke au gadolinium est faible.

Nous avons entrepris des mesures de chaleur specifique entre 0,3 et 10 K sur les systbmes Y-Gd et SC-Gd, qui prksentent un domaine verre de spins [7].

Les alliages Sc-Gd respectent approximativement les lois d'kchelle, avec des &carts analogues aux verres de spins plus classiques : si l'on augmente la concentration, la pente a basse temperature et la valeur maximum de la cha- leur spkcifique par spin augmentent toutes deux. Les Y-Gd sont moins classiques : ils s'ecartent beaucoup plus des lois d'khelle, et, si le maximum de la chaleur spkcifique par spin augmente bien, la pente diminue lorsqu'on augmente la concentration. Peut-Ctre cette diffkrence est-elle like au pic prksentk par la susceptibifitk gkneraliske

~ ( q ) de 1'Y pur, pic qui est beaucoup moins marquk pour le Sc.

Des tracks du quotient de la chaleur spkcifique par la tempkrature en fonction de la tempkrature T montrent que, 9 basse tempkrature, la chaleur spkcifique est plut6t quadratique que linkaire en T.

Les pentes des portions quasi linkaires des courbes de chaleur spkcifique vont de 90 mJ/KZ mole pour le Sc-Gd.

et de 45 mJ/K2 mole sur I'Y-Gd. Ces pentes sont inversement proportionnelles a l'amplitude de I'interaction RKKY. Cette observation est en accord qualitatif avec les tempkratures de Nkel et de Curie paramagnetiques pour les alliages plus concentrks.

Notons enfin que, pour le systtme Sc-Gd, le maximum de la susceptibilitk a lieu pour 0,6 K/% [7] alors que celui de la chaleur spkcifique a lieu pour 1,2 K/%.

Abstract. - There is now much interest about the transition from paramagnetic to spin-glass state [l]. However, the ground-state is not yet perfectly known, so that the low temperature specific heat behaviour is not well under- stood. The controversy about the local field distribution theory Ising-Heisenberg [2] is typical of this situation.

Recently, Walker and Walstedt [3] succeeded in reproducing the Cu-Mn behaviour by simulation. The obtained specific heat curve is bended a t low temperature. Is that calculation only approximate a t low temperatures because of memory-core limitations (the lowerlying excited states being of larger extension), or is it true, so that experi- menters confused the necessary inflection with a linear behaviour ? Some experiments indicate such a bending of the specific heat curves [4]. However, they were performed on systems showing Kondo effect in the dilute limit.

Much more recently, other experiments [5] were performed in the Cu-Mn system. They also showed bending at low temperature, but substraction of the hyperfine specific heat is a delicate problem, though the procedure looks convincing.

Carefully selected rare-earth systems are much better candidates for such studies : - (i) There is no Kondo effect.

- (ii) Direct f-f effects d o not exist.

- (iii) The hyperiine specific heat for G d is very low [6].

We have undertaken specific heat experiments between 0.3 and 10 K for Y-Gd and ScGd systems, which have been reported to show spin glass behaviour [7].

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1979599

LOW TEMPERATURE SPECIFIC HEAT OF THE Y-Gd AND SC-Gd SPIN GLASSES C5-267 For the Sc-Gd system, the scaling laws are approximately obeyed and the deviations are of the same type as in the more standard spin-glass system : when the concentration increases, both the slope at low temperature and the maximum of the specific heat per impurity increase. The Y-Gd behaviour is very different : the departure from the scaling law is much stronger and, when the concentration increases, the maximum specific heat increases, but the slope decreases. This result can be tentatively explained by the different behaviour of the generalized susceptibility ~ ( q ) of the matrixes (more peaked for Y).

C / T vs. T plots show that C ( T ) is rather quadratic than linear at low temperature. The slope of the quasi-linear part of the specific heat curve is about 90 mJ/K2 mole for Sc-Gd and 45 mJ/KZ mole for Y-Gd. This is due t o different strengths of the RKKY interaction. These differences are also reflected in the paramagnetic Curie and NBel temperatures of the more concentrated alloys.

Let us further notice that, for Sc-Gd, the susceptibility maximum occurs for 0.6 K/% whereas the broad specific heat maximum occurs for 1.2 K/%.

References

[l] EDWARDS, S. F., ANDERSON, P. W., J . Phys. P 5 (1975) 965. [S] PHILL~PS, N. E., MARTIN, D. L., Proceedings of the Inter- FISCHER, K. H., Phys. Rev. Lett. 34 (1975) 1438. national Conference on Low Temperature Physics LT 15 SHERRINGTON, D., J. Phys. C 8 (1975) L 208. (1978). J. Physique Colloq. 39 (1978) C 6.

[2] HELD, C. and KLEIN, M. W., Phys. Rev. Lett. 35 (1975) 1783. [6] DREYFUS, D., MICHEL, J. C., THOULOUZE, D., Phys. Lett. 24A [3] WALKER, L. R., WALSTEDT, R. E., Phys. Rev. Lett. 38 (1977) (1967) 457.

514. [7] SARKISSIAN and COLS, B. R., Commun. Phys. 1 (1976) 17.

[4] CAUDRON, R., Thesis, Strasbourg (1976).