Contribution à l'étude expérimentale et théorique des transitions de réorientation de spin dans les ferrites grenats de terres rares et d'yttrium - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2006

Contribution to the experimental and theoretical study of the spin-reorientational transitions in yttrium/rare-earth iron garnets

Contribution à l'étude expérimentale et théorique des transitions de réorientation de spin dans les ferrites grenats de terres rares et d'yttrium

Abdesselam Bouguerra
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 835880

Résumé

This work is an experimental and theoretical study of the spin-reorientational transitions (SRT) in the yttrium diluted rare earth iron garnets R_{x}Y_{3-x}Fe_{5}O_{12}. The aim is to settle that crystalline field effects(CEF), when treated properly without the usual approximations, are able to account very closely for all these magnetic transitions.
Holmium is one of the most suitable rare earth for this study and we therefore began to determine experimentally the phase diagrams of Ho_{x}Y_{3-x}Fe_{5}O_{12} single crystals for x=0.24 and x=0.43 ; This has been achieved by magnetisation measurements under high static magnetic fields (23~T) applied along the three main symetry axes of the cubic crystals : <111>, <110> and <100>.
By using Scilab, all the theoretical models based on the effective spin hamiltonian approximation (ESH) especially the Ising model, widely used up to now, have been reviewed and tested. For this purpose, we built a free energy calculation for all the possible magnetic structure of the six inequivalent rare earth sites. The results show that this type of approximation is unable to quantatively account for the observed transitions.
Therefore, in our calculation, we have replaced for each of the six sites, the analytical formulae of the ESH model by a direct numerical diagonalisation of the total hamiltonian. This later is obtained by adding the CEF hamiltonian, settled with the Racah irreducible tensorial operators technique, to the Zeeman part. As previously, the R-Fe interactions are treated as an effective field, the R-R interactions and the iron anisotropy
being neglected.
Fortunatly, we can use a set of nine CEF parameters which have been determined without fit by interpolation from available spectroscopic data on isomorphous gallium garnets. Despite of much longer computing times, the results show an excellent agreement with the experimental data.
We carefully prepared powders of various concentrations (i.e., x = 0, 0.24, 0.43, 0.67, 1 et 3). Some neutron diffraction experiment with both elastic and inelastique techniques, have been performed in order to check and possibly improve the CEF parameters used. Though theses data have not yet been fully analysed, they already bring a good validation of these
parameters.
L'objet de ce travail est une étude expérimentale et théorique des transitions de réorientation de spin dans les ferrites grenats de terres rares dilués à l'yttrium, R_{x}Y_{3-x}Fe_{5}O_{12}, le but étant de vérifier que les effets de champ cristallin peuvent parfaitement rendre compte de ces transitions à condition d'être traités sans les approximations usuellement utilisées jusqu'à maintenant.
La terre rare la plus favorable pour cette étude étant l'holmium, nous avons d'abord déterminé expérimentalement les diagrammes de phases de Ho_{x}Y_{3-x}Fe_{5}O_{12} (x = 0.24 et 0.43) par des mesures d'aimantation sur monocristaux dans des champs magnétiques statiques intenses (23 T), appliqués selon les trois directions principales du cube <111>, <110> et <100>.
En utilisant Scilab, nous avons ensuite fait une étude exhaustive des modèles basés sur des approximations du type Hamiltonien de spin effectif (ESH) et en particulier du modèle d'Ising. Nous avons bâti un calcul complet de l'énergie libre du système pour toutes les phases possibles, incluant les six sites locaux de terre rare de la structure. Nous avons ainsi pu montrer que ces modèles n'étaient pas suffisants pour rendre compte de façon véritablement quantitative des transitions observées.
Nous avons alors traité les effets du champ cristallin (CEF) dans le cadre du formalisme des opérateurs tensoriels irréductibles de Racah et substitué dans le calcul précédent, pour chaque site, les formules du modèle ESH par la diagonalisation directe de l'hamiltonien complet (i.e., CEF + Zeeman). Les interactions d'échange sont remplacées comme précédemment par un champ effectif et l'anisotropie du sous-réseau fer est négligée. Les paramètres de champ cristallin utilisés ont été obtenus sans ajustement par interpolation à partir de données spectroscopiques sur des gallates isomorphes. Malgré des temps de calculs plus importants, nous avons pu montrer que l'accord avec l'expérience est excellent.
Nous avons soigneusement préparé des poudres de différentes concentrations (i.e., x=0, 0.24, 0.43, 0.67, 1 et 3). Des mesures de diffraction de neutrons, aussi bien élastiques qu'inélastiques ont été effectuées pour vérifier et éventuellement ajuster les paramètres de champ cristallin choisis. Bien que nous n'ayons pas encore eu le temps d'analyser complètement ces données, elles permettent d'ores et déjà de valider les valeurs des paramètres utilisés.
Fichier principal
Vignette du fichier
thesis_Bouguerra.pdf (5.05 Mo) Télécharger le fichier
Loading...

Dates et versions

tel-00105517 , version 1 (11-10-2006)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00105517 , version 1

Citer

Abdesselam Bouguerra. Contribution à l'étude expérimentale et théorique des transitions de réorientation de spin dans les ferrites grenats de terres rares et d'yttrium. Matière Condensée [cond-mat]. Université Badji Mokhtar - Annaba, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00105517⟩

Collections

CNRS
275 Consultations
776 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More