Aimantation dans les champs forts et approche à la saturation absolue du néodyme et du dysprosium

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Submitted on 1 Jan 1959

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Aimantation dans les champs forts et approche à la saturation absolue du néodyme et du dysprosium

Warren E. Henry

To cite this version:

Warren E. Henry. Aimantation dans les champs forts et approche à la saturation absolue du néodyme et du dysprosium. J. Phys. Radium, 1959, 20 (2-3), pp.192-194. �10.1051/jphysrad:01959002002- 3019200�. �jpa-00236015�

192

AIMANTATION DANS LES CHAMPS FORTS

ET APPROCHE A LA SATURATION ABSOLUE DU NÉODYME ET DU DYSPROSIUM

Par WARREN E.

HENRY,

U. S. Naval Research Laboratory, Washington, ^D. C., ^{U. S. A.}

Résumé. - On a mesuré directement le moment magnétique ^du néodyme ^{dans des} champs atteignant 70 000 gauss et à la température de l’hélium liquide. ^{Le moment mesuré à} 1,3 ^{°K et} 70 000 gauss ^est égal ^à 1,5 magnétons ^{de Bohr} par atome de néodyme. ^{Le moment} absolu extra-

polé ^est peut-être inférieur à 1,65 magnétons ^de Bohr par ^{atome au} lieu de 3,3 magnétons ^{de Bohr}

calculés.

^{Le moment} rémanent du néodyme (champ appliqué = 0) ^{croît de 0,006} magnéton ^{de Bohr}

à 4,2 ^{°K à} 0,009 ^à 1,3 ^{°K. On a mesuré} également ^{le moment} magnétique ^du dysprosium ^{dans des} champs atteignant ^{78 000 gauss et à} plusieurs températures (140°, ^{80°, 4,2° et 1,3} °K). ^{Le moment}

à saturation absolue est égal ^à 7,6 magnétons ^de Bohr par ^atome de dysprosium. ^{Le moment réma-}

nent croît de 0,04 magnéton de Bohr par ^atome à 140 °K jusqu’à 0,67 magnéton ^{de Bohr à} 1,3°K.

Ces moments sont mesurés _par une méthode balistique ^en déplaçant l’échantillon.

Abstract. ²⁰¹⁴ Magnetic moments have been measured directly, by ^a sample ^{motion ballistic}

method on neodymium ^and dysprosium. ^For neodymium, ^{difficult to} saturate, ^{the measu-} rements were made in magnetic ^fields up to 70,000 gauss and at temperatures ^{in the} liquid ^helium region. ^{At 1.3 °K and} 70,000 gauss the measured moment is 1.5 Bohr magnetons per atom of

neodymium ^{and the} extrapolation yields ^{not more than 1.65 Bohr magnetons} per ^{atom as com-}

pared ^{with 3.3 Bohr} magnetons per atom calculated from quantum numbers. The small rema- nence increases between 4.2 and 1.3 °K.

The absolute moment measured for dysprosium ^{at 1.3 °K and} 78,000 gauss is ^7.6 Bohr magne- tons per atom. The remanent moment increases from 0.04 Bohr magneton per atom at 140 °K to 0.67 Bohr magneton per atom at 1.3 °K.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ^{ET LE RADIUM . TOME} 20, FÉVRIER 1959,

Pour déterminer en

général

^{le moment absolu}

d’un atome ou d’un

ion,

^{on mesure} directement l’aimantation

près

^{de la}

saturation, quand

^la

pola-

risation est voisine de 100

%,

^à

1,3

^{OK et dans un}

champ

^extérieur

égal

^{à 60} 000 gauss par

exemple [1]. Quand

^ces conditions n’existent _pas (il ^arrive que le

champ

moléculaire augmente ^le

champ

^extérieur

[2])

^{il est}

possible

d’estimer le moment

magnétique

par deux méthodes : 1° On

peut déduire le moment

approximatif

^{de la mesure}

de la

susceptibilité

^en utilisant la loi de

Langevin.

2° On

peut

^{effectuer une double}

extrapolation

pour ^estimer

approximativement

^{le moment à}

partir

^de l’aimantation

partielle

^{de la substance.}

Les

susceptibilités

^du

néodyme [3]

^{et du}

dys- prosium [4]

^ont été mesurées et les moments appro- ximatifs obtenus sont

respectivement 3,7

^et

10,6, magnétons

^{de Bohr.} Au-dessous de 110 °K Trombe a trouvé

2,08 magnétons

^{de Bohr} pour ^le

néodyme.

Les mesures directes de l’aimantation sont limi- tées. Behrendt et al.

[3]

^ont aimanté le

néodyme

dans un

champ

de 18 000 gauss ^à

4,2

^{OK et ils ont}

trouvé seulement

0,75 magnétons

de Bohr par atome. Pour le

dysprosium,

^{Trombe a trouvé dans}

un

champ

de 10 000 gauss ^à 77 OK une aimantation moyenne de

6,3 magnétons

de Bohr par atome,

tandis que Elliott ^et al.

[4],

^{à 31} OK dans des

champs

variant de 14 000 à 18 000 gauss, arrivent à un moment de

8,7 magnétons

^{de Bohr} par ^atome

de

dysprosium.

En raison de la

dispersion

^{de ces}

résultats,

^{nous nous sommes}

proposés

^{de mesurer}

les aimantations du Nd et

Dy

^{dans les}

champs

forts et aux basses

températures.

Méthodes de mesure. ^- Dans la méthode

déjà

décrite

[1],

^nous

déplaçons

l’échantillon entre les centres de deux bobines. Une déviation

galvano- métrique indique

^la

polarisation magnétique.

^Le

système

^{est étalonné avec du} fer pur. Les échan- tillons d’un

poids égal

à 5 grammes ^sont purs à

99,9 %.

Résultats et discussion. ^- La

figure

^{1 montre}

l’aimantation du

néodyme

^en fonction du

champ magnétique

^à

4,2

^{OK et}

1,3

^{OK. Aux environs}

de 8 000 gauss, l’aimantation n’est pas linéaire ^en fonction du

champ

^et d’ailleurs on constate la

pré-

sence

d’hystérésis.

^A

4,2

^{°K et dans un}

champ

de 18 000 gauss nous avons mesuré un moment

(polarisation)

^de

0,7 magnéton

de Bohr par ^atome de

néodyme

^en bon accord avec la

polarisation

^la

plus

élevée mesurée par Behrendt à

4,2 OK ;

^au-

dessus de 20 000 gauss la

pente

décroît de

plus

^en

plus

^{et à 70 000} gauss le ^moment devient

égal

à

1,45 magnétons

de Bohr par ^atome. A 70 000 gauss ^et

1,3

°K l’aimantation est

1,49

^ma- gnétons ^{de Bohr.}

Puisqu’à

^{70 000} gauss et 100

oR,

le moment est

0,17

magnéton de Bohr par atome,

t(H

⁼

infini,

^{T =}

0)

^est

peut-être

^{inférieur à}

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01959002002-3019200

193

1,65 magnétons

^{de Bohr} par ^atome. Le moment rémanent du

néodyme

^est

0,006 magnéton

^{de Bohr}

à 4,2

^{OK et}

0,009 magnéton

^{de Bohr à}

1,3

^OK.

Fie. 1. ^- Aimantation du ncodymc.

FIG. 2. ^- Aimantation du dysprosium.

La

figure

^{2 montre} l’aimantation du

dysprosium qui

^{tend vers}

7,6

magnétons de Bohr par ^atome

(moment

absolu)

^{à 78} 000 gauss ^et

1,3 OK, puisque

l’aimantation dans les

champs

forts n’est pas ^fonc- tion de la

température

^entre

1,3

^et

4,2 degrés

^abso-

lus. L’aimantation est de

7,2

magnétons ^{de Bohr à}

80 OK et environ de 6

magnétons

^{de Bohr à}

140 OK. L’aimantation rémanente

(H

⁼

0)

^{est de}

0,04 magnéton de

Bohr par ^{atome à} 140

OK, 0,16

à 80

OK, 0,51

^à

4,2°

^et

0,67

^à

1,3

^oR.

Pour le

néodyme

^{avec J ==}

9/2,

^{L = 6 et}

S

= 3/2,

^{il semble} que le ^moment absolu doive être

3,3 magnétons

de Bohr par atome, ^{mais cette}

expérience indique 1,6 magnétons

de Bohr par atome. Le moment absolu du

dysprosium éga-

lement calculé

conventionnellement,

^{doit être}

10,6 magnétons

^de Bohr par atome, ^{mais nous}

trouvons

7,6 magnétons

^de Bohr par ^atome.

Quelle

est

l’explication ?

^Les

questions qui

^se

posent

directement sont les suivantes : ¹⁰

quel

^rôle

joue

le

champ électrique

cristallin en

déplaçant

^les

niveaux

d’énergie

^les

plus bas ;

^2°

quelle

^sorte

d’interaction existe entre des électrons

4 f

^{et les}

électrons 5s ?

, Nous continuerons les recherches sur

l’approche

à la saturation

magnétique

^{dans les terres rares}

et leurs

composés

^{dans les}

champs

^{forts et aux}

basses

températures.

RÉFÉRENCES

[1] ^HENRY (W. E.), Phys. Rev., 1952, 88, 559.

[2] ^HENRY (W. E.), Bull. Inst. Int. du Froid, 20 janvier 1956, p. 166.

[3] ^TROMBE (F.), ^Ann. Physique, 1937, 7, 383. KLEMM (W.)

et BOMMER (H.), Z. anorg. ^u. allgem. Chem., 1939, 241, 264. ELLIOTT (J. F.), ^LEGVOLD (S.) et SPEDDING

(F. H.), Phys. Rev., 1954, 94, 50. BEHRENDT (D. R.),

LEGYOLD (S.) ^{et SPEDDING} (F. H.), Phys. Rev., 1957, 106, ^{723. BATES} (L. F.) ^et al. Proc. Phys. Soc., London, 1955, ^B 68,181. ^LOCK (J. M.), ^Proc. Phys.

Soc., London, 1957, ^B 70, ^572.

[4] ^TROMBE (F.), ^{C. R.} Acad. Sc., 1945, 221, 19 ; 1953, 236, 591. ELLIOTT (J. F.), ^LEGVOLD (S.) et SPEDDING

(F. H.), Phys. Rev., 1954, 94,1143.

DISCUSSION

Mr..Kittel. ^- It would be

interesting

^{to estimate}

from the

approach

^to saturation the

anisotropy

energy of

dysprosium

^{as a} function of

temperature

and to compare this withtheoretical

expectations.

Of course this

suggestion

^{is not}

applicable

^{if the}

metal is

actually weakly antiferromagnetic.

Mr.

Henry.

^{- We have not carried out this}

analysis

^but

plan

^{to examine our data to see if we}

can deduce the

anisotropy

energy from ^our results.

Mr. Bozorth. ^-- How do your results on

dys- prosium

compare with the ^recent results in

single crystals

^{obtained at Iowa State}

by Legvold

^and

Spedding ?

Mr. Henry.

^{- The} saturation

magnetization

for

Dy

^measured

by Elliott, Legvold

^and

Spedding along

^the easy direction of

magnetization

^is

higher

than 1

reported

^{here. That}

is,

^{1 obtained 7 . 6 Bohr} magnetons per ^atom of

dysprosium

^while

they

obtain 8.5 Bohr magnetons per ^{atom at} lower fields.

They

obtain this value

by multiplying

their ^raw data

by 4 Jr.

^{Should we} get ^différent results ?

Mr. Lock. ^-

Neodyrnium

becomes antiferro-

magnetic

^at about 7 OK and it is

possible

that fields much greater ^{than 80} 000 gauss ^arc

required

^to

attain saturation.

194

Mr.

Henry.

^{--- We shall}

apply

^{an additional}

10,000

gauss ^to the

neodymium

^{to see if the}

slope

becomes

sufficiently

^{small to make a more valid}

extrapolation.

^These measurements have been carried out in a Bitter type magnet ^{four inches in}

diameter. We

plan

^to

modify

^our

apparatus

^{so as}

to use our one inch magnet which will allow us to

apply a

^{field of}

110,000

gauss. This limitation of the moment may be a

crystalline

electric field effect and not

antiferromagnetism.

Mr. Pratt. ^- Dr.

Henry’s

data shown for the

magnetization

^vs.

applied magnetic

^{field for neo-}

dymium

^showed certain fluctuations for fields in the _range above

15,000

^{Oe at 4.2 OK. These fluc-}

tuations

may be very significant

ⁱⁿ

determining the

role

played by

the conduction électrons in the

coupling

^{of the}

4f

^{electrons on different atoms.}

The

strength

^of

this 4 f -s coupling depends

^{on the}

density

of conduction electrons at the Fermi level.

Oscillatory effects due ^to the Landau levels are of

course well known at

high

^{fields and low} tempe-

ratures. If the

eff ective

^mass of the conduction electrons is

sufficiently low,

^{one should} expect ^to

see such fluctuations as observed

by Henry.

Mr.

Henry.

^{- Thank} you for your comments, Dr. Pratt. We shall further examine and extend

our data so as to

permit

^a définitive

analysis,

^{to see}

if the effective ^mass and other parameters

permit

an oscillatory variation in the

magnetization.