ÉTUDE DES TRANSITIONS DE PHASE MAGNÉTIQUES DE GdAlO3 AU MOYEN D'ONDES ULTRASONORES DE 9 GHz

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Submitted on 1 Jan 1971

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ÉTUDE DES TRANSITIONS DE PHASE

MAGNÉTIQUES DE GdAlO3 AU MOYEN D’ONDES ULTRASONORES DE 9 GHz

M. Boiteux, P. Doussineau, B. Ferry, U. Höchli

To cite this version:

M. Boiteux, P. Doussineau, B. Ferry, U. Höchli. ÉTUDE DES TRANSITIONS DE PHASE MAGNÉ- TIQUES DE GdAlO3 AU MOYEN D’ONDES ULTRASONORES DE 9 GHz. Journal de Physique Colloques, 1971, 32 (C1), pp.C1-496-C1-498. �10.1051/jphyscol:19711164�. �jpa-00213985�

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JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C 1, supplément au n° 2-3, Tome 32, Février-Mars 1971, page C 1 - 496

ÉTUDE DES TRANSITIONS DE PHASE MAGNÉTIQUES DE GdA10³ AU MOYEN D'ONDES ULTRASONORES DE 9 GHz

M. BOITEUX, P. DOUSSINEAU, B. FERRY

Laboratoire d'Ultrasons (*), Faculté des Sciences de Paris Tour 13, 11, quai Saint-Bernard, Paris 5e, France

et U. T. HOCHLI

I. B. M. Research Laboratory Zurich Saiimerstrasse 4, 8803 Ruschlikon, Suisse

Résumé. — La variation d'atténuation d'ultrasons de 9 GHz a été mesurée dans l'antiferromagnétique GdAlC>3 (Tu = 3,9 °K) en fonction de la température entre 1,8 et 15 °K ; l'atténuation passe par un maximum vers 3,5 °Kpour des ondes longitudinales et vers 3,9 °K pour des ondes transversales. Pour T < 7W et avec un champ magnétique appliqué parallèlement à l'axe de facile aimantation ont été observées une forte atténuation ultrasonore au voisinage de la transition spin-flop et la raie de résonance antiferromagnétique acoustique. Une raie de résonance en champ faible est attribuée à une transition entre les deux modes d'onde de spin antiferromagnétiques.

Abstract. — The attenuation of 9 GHz ultrasonic waves has been measured in antiferromagnetic GdAICb (Tx = 3,9 °K) versus temperature between 1.8 and 15 dK ; the attenuation is maximum near 3.5 °K for longitudinal waves and near 3,9 °K for transverse waves. If T < Ts and in a, magnetic field applied along the axis of easy magnetization, a large ultrasonic attenuation near the spin-flop transition, and the acoustical antiferromagnetic resonance line have been observed. A resonance line at low field is attributed to a transition between the two modes of antiferromagnetic spin waves.

GdA10³ est un cristal antiferromagnétique dont la température de Néel est TN = 3,9 °K, et le champ de spin-flop H^s{ = 1 1 , 5 kG. Sa structure est orthorhom- bique. En champ nul, les spins sont alignés suivant l'axe (010). Le diagramme de phase magnétique a été déterminé par des mesures de susceptibilité [1]. Nous rapportons ici des études ultrasonores faites sur ce cristal.

L'ion Gd^{3 +} (ion S) est peu couplé aux déforma- tions [cristallines ; il y a donc intérêt à opérer avec des ondes ultrasonores dont la fréquence soit la plus élevée possible (bande des 10 GHz). Comme d'autre part, la température de Néel est basse et que ces ondes se propagent bien jusqu'à environ 20 °K, c'est-à-dire pour T > T^N, l'étude de la transition de Néel est possible. Le champ de spin-flop, relativement faible, peut être atteint facilement. Enfin la fréquence élevée des ultrasons permet de distinguer au voisinage de la transition spin-flop ce qui est relatif à la transition elle-même (domaines, variations de constantes élastiques...) de ce qui est relatif au couplage avec les ondes de spin (résonance antiferromagnétique acoustique), du moins dans la phase antiferromagnétique.

L'intérêt de ces études par méthodes ultrasonores est renforcée du fait de l'impossibilité d'employer la diffraction de neutrons, G d^{3 +} étant trop absorbant.

Nous avons mesuré la variation d'atténuation d'ondes ultrasonores de fréquence 9 GHz dans les cas suivants :

1. En champ nul, et en faisant varier la température de 1,8 à 15 °K (étude de la transition de Néel).

2. A température fixe (T < T^N) et en appliquant parallèlement à des directions bien repérées du cristal un champ magnétique variant de 0 à 12,5 kG (étude

de la transition spin-flop et du couplage avec les ondes de spin).

Dans toutes ces expériences, le cristal était collé sur un quartz dont une extrémité est placée dans une cavité électromagnétique où les ultrasons sont engen- drés par effet piézoélectrique ; les échos ultrasonores réfléchis sont détectés par effet piézoélectrique inverse.

Transition de Néel. — Cette transition a été étudiée dans les conditions suivantes :

1. Ultrasons polarisés longitudinalement, k parallèle à l'axe (001).

2. Ultrasons polarisés longitudinalement, k parallèle à l'axe (110).

3. Ultrasons polarisés transversalement, k parallèle à l'axe (110), vecteur déplacement u parallèle à l'axe (001).

L'atténuation des ondes de polarisation longitudi- nale passe par un maximum à T = 3,5 °K (Fig. 1). Il

FIG. 1. — Atténuation des ondes ultrasonores au voisinage de la transition de Néel.

(*) Equipe de Recherche Associée au C. N. R. S.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19711164

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ÉTUDE DES TRANSITIONS DE PHASE MAGNÉTIQUES DE GdA103 est frappant de constater que ce maximum se trouve

à une température sensiblement inférieure à la tempé- rature de Néel (3,9 oK) : ce résultat est à rapprocher des résultats obtenus par Bachellerie [2] dans MnF, avec des ultrasons de 250 à 1 000 MHz. On remarque d'autre part que, même à la fréquence à laquelle nous opérons, la variation d'atténuation est relativement faible (3 à 4 dB/cm au maximum). Au contraire, l'atténuation des ondes de polarisation transversale passe par un maximum au voisinage de la température de Néel (Fig. 1).

Transition spin-flop. - Nous avons examiné le comportement de l'atténuation à la transition spin-flop avec des ultrasons polarisés longitudinalement, dans les cas suivants :

1. k parallèle à l'axe (001).

Le signal ultrasonore se trouve dans tous ces cas fortement atténué lorsque le champ magnétique (appli- qué suivant l'axe (010)) atteint la valeur H,, (Fig. 2)'

antiferr*

soustlque

Transition spin - flop

O

Fm. 2. -Atténuation des ultrasons longitudinaux en fonction du champ magnétique à 1,s ^{O K .}H / l axe (010).

1 ~ésonance

comme cela a été observé dans d'autres cristaux anti- ferromagnétiques [3]. Nous n'avons observé aucune hystérésis à la transition (l'hystérésis serait de l'ordre de 1 kG à température nulle). Nous avons vérifié que le champ de spin-flop varie très peu avec la tempéra- ture.

L'atténuation des ultrasons pour H > H,, peut être attribuée aux interactions entre phonons et ondes de spin dans la phase floppée. On sait en effet que dans la phase floppée existent deux modes d'onde de spin

[4] (Fig. 3) :

1. Un mode (( optique ⁾⁾dont la fréquence à k = O croît avec la valeur du champ magnétique appliqué.

2. Un mode «acoustique » dont la fréquence à k = O est relativement basse (6 GHz dans GdAlO, au voisinage de la transition spin-flop) et décroît lorsque le champ magnétique extérieur augmente ; cette fré- quence s'annule à la transition entre la phase spin-flop et la phase paramagnétique.

Gd Al O, Transmission u K u / / I l l O l 9.23 GHz 5 -

10-

15 -

brunt de fond

---

Cette forte atténuation peut provenir du couplage entre les ultrasons et les magnons lorsque leurs fré-

mode-optique"

36,10°-

mode "acourtaque"

H-H.8-ol IkG)

O 5

FIG. 3. -Fréquence des ondes de spin dans la phase floppée au voisinage de k = O, en fonction du champ magnétique appli-

qué parallèlement à l'axe (010).

quences sont voisines. Deux mécanismes sont possibles :

- Couplage avec le mode optique au voisinage de la transition spin-flop ( H 2 H,,).

- Couplage avec le mode acoustique au voisinage de la transition et pour H > H,..

Interactions des ultrasons avec les ondes de spin dans la phase antiferromagnétique. - 1. RÉSONANCE

ANTIFERROMAG~TIQUE ACOUSTIQUE. - Lp couplage résonnant entre les ondes acoustiques et les ondes de spin se produit lorsque leurs fréquences et leurs vec- teurs d'onde sont égaux. Avec les ondes que nous utilisons, cela correspond à un champ magnétique extérieur H ^EH,, - 3 000 G. C'est un processus dans lequel un phonon est annihilé, et un magnon est créé (transition AM, = 1). La résonance antiferromagné- tique acoustique a été observée avec des ultrasons polarisés longitudinalement, et se propageant suivant l'axe (110) (Fig. 2). Avec des ultrasons longitudinaux se propageant suivant l'axe (OOl), le couplage est nul si le champ magnétique est orienté parallèlement à l'axe de facile aimantation, car le terme de couplage (mécanisme de Van Vleck) s'écrit en première approxi- mation :

et l'on voit que ce terme ne peut induire de transitions AMs = 1. De même le couplage est nul pour des ultrasons longitudinaux se propageant suivant l'axe (010) car

L'atténuation devient importante dès que le champ magnétique est un peu désorienté.

On constate que lorsque la température augmente, la raie de résonance apparaît pour un champ plus faible et que sa largeur augmente rapidement.

2. TRANSITION ENTRE DEUX MODES D'ONDE DE SPIN.

- En champ faible (de l'ordre de 1 500 G), nous avons obtenu, dans certains cas, une raie de résonance.

Cette raie provient des transitions induites par les

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C 1 - 498 M. BOITEUX, P. DOUSSINEAU, B. FERRY phonons entre deux modes d'onde de spin. Ce sont des

transitions AM, = 2. On a représenté sur la figure 4 toutes les transitions AM, = 2 possibles. Elles peu- vent se produire chaque fois qu'apparaît dans I'hamil- tonien de couplage spins-phonons des termes de la forme S: ^E^OUS! E . L'absorption ultrasonore observée ^"'O- résulte du processus suivant :

phonon (52, k)

+

magnon ^@(CO,q) +

4 magnon cr(o

+

52, k ^fq) .

Bibliographie

Elle ne peut être observée que si le mode d'onde de

,_

spin p est suffisamment peuplé, ce qui est le cas dans

GdA10, à 2 OK. Le calcul montre qu'elle donne lieu à "---

une atténuation de l'ordre de 1 dB/cm, ce qui est ,-?"

bien l'ordre de grandeur trouvé expérimentalement.

[l] BLAZEY (K. W.) et ROHRER (H.), Phys. Rev., 1968, [3] SHAPIRA (Y.), Phys. Rev., 1969, 187, 734.

173, 574. ^[4]WANG (L. L.) et CALLEN (H. B.), J. P. C. S., 1964, 121 BACHELLERIE (A.), Sol. St. Corn., 1970, 8, 1059. ^25, 1459.

Ce travail montre l'intérêt des ondes ultrasonores de haute fréquence dans l'étude des différentes transitions de phase des isolants antiferromagnétiques.

Nous remercions Monsieur H.-J. Scheel (1. B. M.

1 I

I l 1 I

t l

1 I

1 1

1 I k

q k + q

Zürich Laboratory) qui nous a fourni les cristaux de

GdAIO,. ^FIG.^4.- Types de transitions AMs = 2 permises.