Multisublattice magnetic structures in charge ordered perovskite manganites with high doping level

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The study is devoted to the theoretical analysis of noncollinear magnetic structures of charge-ordered manganites with a doping level x=3/4, 4/5. The reasons for canted and perpendicular magnetic structures to form as a result of the competition between the orbitally dependent exchange interaction in different crystallographic directions and the influence of single-ion anisotropy are considered. The mechanism of formation of predominantly noncollinear magnetic structures is shown. Trimer stripe magnetic structures with ordering along pseudo-perovskite axes xp, yp, zp = b are predicted. The presence of magnetic structure components aligned with the b axis is assumed and methods for checking the presence of such components based on field dependencies of magnetization and antiferromagnetic resonance frequencies are proposed.

Full Text

Введение

Кристаллы псевдоперовскитных манганитов R1–xAxMnO3 с допированием позиции редкоземельного иона R3+ неизовалентной щелочноземельной примесью A2+ хорошо изучены в настоящее время [1–9]. Эти материалы являются перспективными с точки зрения спинтроники для создания логических элементов квантовых компьютеров [10]. Более всего изучены соединения с x=0.3 в связи с явлением колоссального магнетосопротивления [11]. Чистые и половинно-легированные соединения также хорошо описаны в связи с хорошо определенными на эксперименте кристаллическими и магнитными структурами [1–3, 12]. Соединения с высокой степенью допирования (x>1/2) с точки зрения кристаллической, зарядовой, орбитальной и магнитной структур изучены меньше, хотя взаимосвязь этих подсистем проявляется в них более интересными эффектами. Со времени классических работ Гуденафа [1] и Воллана, Келера [2] магнитная структура высокодопированных соединений считалась надежно определенной и обладающей C-типом упорядочения. Наличие зарядового упорядочения подтверждено в работах [4, 7, 13–15] для некоторых манганитов при x=3/4. Температура зарядового и антиферромагнитного упорядочения определена в этих экспериментах в диапазоне TCO=140–300 К. При x=4/5 о зарядово-упорядоченной фазе при TCO=150–210 К с антиферромагнитной структурой сообщается в работах [4, 7, 13, 15–16]. Зарядовое упорядочение в высокодопированных соединениях конкурирует с фазовым расслоением [19, 20].

Температура Нееля для этих соединений в экспериментах определена ниже или равной температуре зарядового упорядочения (ЗУ). В работе Мори [21] была предложена модель орбитально-зарядовой структуры “бистрайп” (двойной страйп) для x=2/3 и 3/4, которая была опровергнута в работах [6, 5, 14]. В этих же работах для орбитально-зарядовой структуры высокодопированных манганитов была предложена модель “вигнеровского кристалла”. Антиферромагнитная (АФМ) структура C-типа [1, 3] несовместима с данной моделью, поскольку правила Гуденафа–Канамори для определения знаков обменных параметров предполагают наличие конкуренции обменных взаимодействий [22, 23]. В работах [6, 5, 14] были предложены существенно-неколлинеарные магнитные структуры. Для x=2/3 такую структуру [5, 6] можно объяснить в рамках модели орбитально-зависимых обменных взаимодействий и одноионной анизотропии [22]. Особенностью зарядово-орбитального упорядочения “вигнеровский кристалл” является конкуренция обменного взаимодействия внутри плоскости ac в обозначениях Pnma, и в связи с этим существенно увеличивается количество различных направлений магнитных моментов. Соединения с x=3/4 [14] и x=4/5 [17] также могут обладать зарядово-орбитальной структурой типа “вигнеровский кристалл”. При этом попытка определить магнитную структуру, приближенную к C-типу, с характерными волновыми векторами k=[1/4 0 1/2] и k=[1/2 0 1/2], не является однозначной с точки зрения авторов экспериментальной работы [14]. В этих соединениях также определяли скошенную антиферромагнитную структуру или ферромагнитные капли в антиферромагнитной матрице [7, 18, 24], C+CE-структуру [13], C+G-структуру [13, 15] или структуру из 32 или 36 магнитных подрешеток [13], структуры типа спиновых стекол [15]. Определить или даже предположить магнитную структуру в увеличенной ячейке (по сравнению с ячейкой чистого манганита) оказывается очень сложно, особенно с учетом конкуренции обменных взаимодействий.

В недавней работе [16] авторы исследовали изменение магнитных структур для манганитов с концентрацией 0.5<x<0.7, однако более подробных экспериментальных исследований магнитной структуры в вигнеровских кристаллах манганитов с x = 3/4, 4/5 пока нет.

В данной работе предлагается модель магнитной структуры соединений La1/4Ca3/4MnO3 и Bi1/5Ca4/5MnO3, имеющих орбитально-зарядовую структуру типа “вигнеровский кристалл”, в рамках экспериментально определенных кристаллических и зарядовых структур [14, 17]. Модель орбитально-зависимых сверхобменного взаимодействия и одноионной анизотропии применена к данным кристаллам, в результате получена тримерно-страйповая магнитная структура, аналогичная La1/3Ca2/3MnO3 [22]. Предложены экспериментальные методы для проверки особенностей полученной магнитной структуры.

Кристаллическая, зарядовая и орбитальная структуры

Основную роль в формировании фрустрированной магнитной структуры играет подрешетка ионов Mn3+, которые обладают вырожденным орбитальным состоянием 5E в симметричном октаэдрическом окружении. Благодаря наличию зарядового порядка эта подрешетка взаимодействует с подрешеткой Mn4+.

Орбитальное состояние ионов Mn3+ можно описать как [22, 23]

Ψn=cosΘn2θn±sinΘn2εn, (1)

где θn,εn собственные функции основного состояния n-го иона Mn3+. Углы смешивания орбитальных функций могут быть выражены через симметризованные искажения eg-типа кислородного окружения [25, 22]:

sinΘn=QεnQθn2+Qεn2,  cos  Θn=QθnQθn2+Qεn2 , (2)

где Qθn~3r2z2,    Qεn~x2y2  симметризованные искажения eg-типа кислородных октаэдров вокруг Mn3+.

La1/4Ca3/4MnO3

La1/4Ca3/4MnO3 является сильнолегированным ЗУ-манганитом с зарядово-орбитальным упорядочением типа вигнеровского кристалла. Симметрия кристаллической решетки имеет пространственную группу P21/m с ячейкой, четырехкратно увеличенной по сравнению с чистым манганитом и вдвое увеличенной по сравнению с половинно-допированным манганитом [14]. Орбитально-зарядовая структура изображена на рис. 1.

 

Рис. 1. Орбитально-зарядовая структура La1/4Ca3/4MnO3 [14]. Здесь и в последующих рисунках ионы Mn3+ изображены в виде распределения электронных плотностей, ионы Mn4+ обозначены сферами. Числа нумеруют подрешетки орбитальной структуры.

 

Искажения кислородных октаэдров, окружающих ионы марганца, имеют два типа. Первый – это сдвиг лигандов eg-типа вследствие кооперативного эффекта Яна–Теллера, который приводит к разным длинам связей Mn–O в октаэдре. Второй тип искажений – это поворотные искажения t1g-типа, которые приводят к отклонению лигандов от линии Mn–Mn. Окружение иона Mn3+ содержит искажения обоих типов, а окружение Mn4+ – только поворотные искажения и подстройку решетки за счет сдвигов ионов Mn4+ [14].

Для расчета симметризованных искажений кислородного окружения ионов Mn3+ были использованы результаты эксперимента по определению кристаллической структуры [14], собранные в таблице 1.

 

Таблица 1. Координаты атомов в примитивной ячейке для манганита x=3/4 в ЗУФ (группа симметрии P21/m) [14]

Ионы и названия позиций

Координаты

Значения параметров

Mn3+ (1) – 2c

(0, 0, 1/2c), (0, 1/2b, 1/2c)

a=21.4732

b=7.4689

c=5.375

Mn3+ (2) – 2d

(1/2a, 0, 1/2c), (1/2a, 1/2b, 1/2c)

Mn4+ (3) – 4f

(1/8a, 0, Δz1c), (7/8a, 0, –Δz1c), (7/8a, 1/2b, –Δz1c), (1/8a, 1/2b, Δz1c),

Δz1=–0.0181

Mn4+ (4) – 4f

(1/4a, 0, 1/2cz1c), (3/4a, 0, 1/2c–Δz1c), (3/4a, 1/2b, 1/2c–Δz1c), (1/4a, 1/2b, 1/2cz1c)

Mn4+ (5) – 4f

(3/8a, 0, Δz1c), (3/8a, 1/2b, –Δz1c), (3/8a, 1/2b, Δz1c), (3/8a, 0, –Δz1c)

Oa (1) – 2e

((11/16+ux)a, 0, (uzz1)c), ((5/16–ux)a, 1/2b, –(uzz1)c)

ux=–0.0131

uz=0.0656

Oa (2) – 2e

((13/16+ux)a, 0, (1/2– uzz1)c), ((3/16–ux)a, 1/2b, (1/2+ uz–Δz1)c)

Oa (3) – 2e

((15/16+ux)a, 0, (uzz1)c), ((1/16–ux)a, 1/2b, –(uzz1)c)

Oa (4) – 2e

((1/16+ux)a, 0, (1/2–uzz1)c), ((15/16–ux)a, 1/2b, (1/2+uz–Δz1)c)

Oa (5) – 2e

((3/16+ux)a, 0, (uz–Δz1)c), ((13/16–ux)a, 1/2b, (–uzz1)c)

Oa (6) – 2e

((5/16+ux)a, 0, (1/2–uz–Δz1)c), ((11/16–ux)a, 1/2b, (1/2+uzz1)c)

Oa (7) – 2e

((7/16+ux)a, 0, (uz–Δz1)c), ((9/16–ux)a, 1/2b, (–uzz1)c)

Oa (8) – 2e

((9/16+ux)a, 0, (1/2–uz–Δz1)c), ((7/16–ux)a, 1/2b, (1/2+uzz1)c)

Op (1) – 4f

((7/16+vx)a, vyb, (3/4+vzz1)c), ((7/16+vx)a, (1/2–vy)b, (3/4+vzz1)c), ((9/16–vx)a, –vyb, (1/4–vz–Δz1)c), ((9/16–vx)a, (1/2+vy)b, (1/4–vz–Δz1)c)

vx= 0.0561

vy=0.0325

vz=–0.0242

vz1= vz–Δz1

vz2= vzz1

Op (2) – 4f

((9/16+vx)a, vyb, (1/4–vzz1)c), ((9/16+vx)a, (1/2–vy)b, (1/4–vzz1)c), ((7/16–vx)a, –vyb, (3/4+vz–Δz1)c), ((7/16–vx)a, (1/2+vy)b, (3/4+vz–Δz1)c)

Op (3) – 4f

((11/16+vx)a, vyb, (3/4+vzz1)c), ((11/16+vx)a, (1/2–vy)b, (3/4+vzz1)c), ((5/16–vx)a, –vyb, (1/4–vz–Δz1)c), ((5/16–vx)a, (1/2+vy)b, (1/4–vz–Δz1)c)

Op (4) – 4f

((13/16+vx)a, vyb, (1/4–vzz1)c), ((13/16+vx)a, (1/2–vy)b, (1/4–vzz1)c), ((3/16–vx)a, –vyb, (3/4+vz–Δz1)c), ((3/16–vx)a, (1/2+vy)b, (3/4+vz–Δz1)c),

Op (5) – 4f

((15/16+vx)a, vyb, (3/4+vz–Δz1)c), ((15/16+vx)a, (1/2–vy)b, (3/4+vz–Δz1)c), ((1/16–vx)a, –vyb, (1/4–vzz1)c), (1/16–vx)a, (1/2+vy)b, (1/4–vzz1)c)

Op (6) – 4f

((1/16+vx)a, vyb, (1/4–vz–Δz1)c), ((1/16+vx)a, (1/2–vy)b, (1/4–vz–Δz1)c), ((15/16–vx)a, –vyb, (3/4+vzz1)c), ((15/16–vx)a, (1/2+vy)b, (3/4+vzz1)c)

Op (7) – 4f

((3/16+vx)a, vyb, (3/4+vz–Δz1)c), ((3/16+vx)a, (1/2–vy)b, (3/4+vz–Δz1)c), ((13/16–vx)a, –vyb, (1/4–vzz1)c), ((13/16–vx)a, (1/2+vy)b, (1/4–vzz1)c)

Op (8) – 4f

((5/16+vx)a, vyb, (1/4–vz–Δz1)c), ((5/16+vx)a, (1/2–vy)b, (1/4–vz–Δz1)c), ((11/16–vx)a, –vyb, (3/4+vzz1)c), ((11/16–vx)a, (1/2+vy)b, (3/4+vzz1)c)

 

Ионы Mn3+ в позиции 2c соответствуют подрешеткам 1 и 3 на рис. 1, в позиции 2d –подрешеткам 2 и 4.

Симметризованное искажение eg-типа в кислородном октаэдре, использованное для расчета параметра Θ1, 2 в формуле (2), зависит от сдвигов ионов кислорода vx, vz1,2 и постоянных решетки a, b, c следующим образом:

Qθ=112b14a+c2;Qε1,2=2vxa+vz1,2c. (3)

Орбитальную структуру такого типа можно задать соотношением, рассчитанным из формул (2) и (3):

Θ1=Θ32πΘ2=2πΘ41.25π. (4)

Различие между углами смешивания различных позиций Mn3+составляет не более 1%. Орбитальная и зарядовая структуры на рис. 1 и последующих рисунках изображена для волновых функций (1) с учетом углов (2) для симметризованных искажений, относящихся к экспериментальной кристаллической структуре. Для визуализации использован пакет Wolfram Mathematica1.

Выражения для симметризованных искажений eg-типа (3) соответствуют выражениям, полученным для чистого манганита [26] с учетом увеличения постоянной решетки в направлении a и с учетом различия искажений окружения разных позиций Mn3+:

Qθ=112b12a+c, Qε=2vXa+vZc. (5)

Поворотные искажения кислородных октаэдров могут быть описаны двумя углами: j и y. Угол j –угол поворота октаэдра вокруг оси a, угол y –угол поворота вокруг оси b. Пространственное распределение этих искажений приведено в табл. 2.

 

Таблица 2. Пространственное распределение углов поворотов кислородных октаэдров, окружающих ионы Mn3+, в ячейке группы P21/m. Ионы Mn3+ пронумерованы в соответствии с рис. 2

Mn1

Mn2

Mn3

Mn4

–j, yc

j, –yd

–j, yc

j, –yd

 

Искажение окружения ионов Mn4+ не рассчитано, так как не используется в исследовании. Значения углов для экспериментальной структуры [14]: φ = 11°, ψc = 11°, ψd = 8°.

Параметры кристаллической структуры, которые необходимы для расчета сверхобменного взаимодействия на подрешетке Mn3+, собраны в табл. 3.

 

Таблица 3. Данные из работы [14] о конфигурации сверхобменной связи в La1/4Ca3/4MnO3 при T = 5 K

Тип обменной пары

Расстояния Mni–O, Mnj–O, Å

Углы Mni–O–Mnj

Mn3+–Mn4+(ac-плоскость)

1.99, 1.91(d, ФМ-связь)

2.00, 1.93 (c, ФМ-связь)

1.845, 1.93 (d, АФМ-связь)

1.87, 1.92 (c, АФМ-связь)

163.5° (ФМ-связь)

160° (АФМ-связь)

Mn4+–Mn4+ (ac-плоскость)

1.90, 1.91, 1.92, 1.93, 1.94, 1.95

160°, 161°, 162°

Mn4+–Mn4+ (ось b)

1.901

159°

Mn3+–Mn3+ (ось b)

1.901

158°

 

Bi1/5Ca4/5MnO3

Bi1/5Ca4/5MnO3 является сильнолегированным ЗУ-манганитом с зарядово-орбитальным упорядочением типа вигнеровского кристалла. Симметрия кристаллической решетки также имеет пространственную группу Pnma симметрии с ячейкой, увеличенной в пять раз по сравнению с чистым манганитом [15]. Орбитально-зарядовая структура приведена на рис. 2.

 

Рис. 2. Орбитальная и зарядовая структуры подрешетки марганца в Bi1/5Ca4/5MnO3 [15].

 

В La1/5Ca4/5MnO3 авторы работы [27] не обнаружили орбитально-зарядового упорядочения подрешетки Mn кристалла, а магнитную структуру определили как C-тип аналогично классической работе [2]. Ранее в работе [4] для этого соединения с той же концентрацией примеси зарядовое упорядочение было установлено без уточнения симметрии.

Как и в других соединениях с зарядовым упорядочением, в Bi1/5Ca4/5MnO3 искажения кислородных октаэдров, окружающих ионы марганца, состоят из двух видов. Первый тип – это сдвиг лигандов eg-типа вследствие кооперативного эффекта Яна–Теллера, который приводит к разным длинам связей Mn–O в октаэдре. Второй тип искажений – это поворотные искажения t1g-типа, которые приводят к отклонению лигандов от линии Mn–Mn. Окружение иона Mn3+ содержит искажения обоих типов, окружение Mn4+ – только поворотные искажения и подстройку решетки за счет сдвигов ионов Mn4+.

Для расчета симметризованных искажений кислородного окружения ионов Mn3+ были использованы результаты эксперимента по определению кристаллической структуры [15], собранные в табл. 4.

 

Таблица 4. Параметры кристаллической структуры Bi1/5Ca4/5MnO3 (группа симметрии Pnma) в соответствии с экспериментальной работой [17] для расчета симметризованных координат окружения Mn3+. Позиции Bi/Ca опущены

Ионы и названия позиций

Координаты

Значения параметров

Mn3+(1)–4b

(1/2a, 0, 0), (0, 0, 1/2c),

(1/2a, 1/2b, 0), (0, 1/2b, 1/2c)

a=26.720 Å

b=7.449 Å

c=5.386 Å

Mn4+(2) –8d

(1/10a, 0, VMnzc), (4/10a, 0, (1/2+VMnz)c),

(–1/10a, 1/2b, –VMnz)c), (6/10a, 1/2b, (1/2–VMnz)c),

(–1/10a, 0, –VMnzc), (6/10a, 0, (1/2–VMnz)c),

(1/10a, 1/2b, VMnzc), (4/10a, 1/2b, (1/2+VMnz)c)

VMnz=0.018

Mn4+ (3)–8d

(3/10a, 0, VMnzc), (2/10a, 1/2b, (1/2+VMnz)c),

(–3/10a, 1/2b, –VMnzc), (8/10a, 1/2b, (1/2–VMnz)c),

(–3/10a, 0, –VMnzc), (8/10a, 0, (1/2–VMnz)c),

(3/10a, 1/2b, VMnzc), (2/10a, 1/2b, (1/2+VMnz)c)

Oa (1)–4c

(1/10a, 1/4b, uzc), (4/10a, –1/4b, (1/2+uz)c),

(9/10a, –1/4b, –uzc), (6/10a, 1/4b, (1/2–uz)c)

uz=–0.065

Oa (2)–4c

(1/2a, 1/4b, uzc), (0, –1/4b, (1/2+uz)c),

(1/2a, –1/4b, –uzc), (0, 1/4b, (1/2–uz)c)

Oa (3)–4c

(9/10a, 1/4b, uzc), (6/10a, –1/4b, (1/2+uz)c),

(1/10a, –1/4b, uzc), (4/10a, 1/4b, (1/2–uz)c)

Oa (4)–4c

(3/10a, 1/4b, uzc), (2/10a, –1/4b, (1/2+uz)c),

(7/10a, –1/4b, –uzc), (8/10a, 1/4b, (1/2–uz)c)

Oa (5)–4c

(7/10a, 1/4b, uzc), (8/10a, –1/4b, (1/2+uz)c),

(3/10a, –1/4b, –uzc), (2/10a, 1/4b, (1/2–uz)c)

Op (1)–8d

((1/20+vx1)a, vyb, (3/4 – vz1)c), ((9/20–vx1)a, –vyb, (1/4 + vz1)c),

((–1/20–vx1)a, (1/2+vy)b, (1/4 + vz1)c),

((11/20+vx1)a, (1/2–vy)b, (3/4 + vz1)c),

((–1/20–vx1 )a, –vyb, (1/4 + vz1)c), ((11/20+vx1)a, vyb, (3/4 –vz1)c),

((1/20+vx1)a, (1/2–vy)b, (3/4 + vz1)c),

((9/20–vx1)a, (1/2+vy)b, (3/4 – vz1)c)

vx1=0.004

vy=0.035

vz1=–0.005

Op (2)–8d

((1/20–vx1)a, –vyb, (1/4 – vz2)c), ((9/20+vx1)a, vyb, (3/4 + vz2)c)

((–1/20+vx1)a, (1/2–vy)b, (3/4 + vz2)c),

((11/20–vx1)a, (1/2–vy)b, (1/4 + vz2)c),

((11/20–vx1)a, –vyb, (1/4 –vz2)c), ((1/20–vx1)a, (1/2+vy)b, (1/4 – vz1)c)

((9/20+vx1)a, (1/2–vy)b, (3/4 + vz2)c), ((–1/20+vx1)a, vyb, (3/4 + vz2)c)

vx1=0.004

vy=0.035

vz2=–0.01

Op (3)–8d

(vx3a, –vyb, (1/4 + vz3)c), ((1/2–vx3)a, vyb, (3/4 + vz3)c),

(–vx3a, (1/2+vy)b, (1/4 –vz3)c), ((1/2+vx3)a, (1/2+vy)b, (1/4 – vz3)c),

(–vx3a, vyb, (3/4 –vz3)c), ((1/2+vx3)a, –vyb, (1/4 – vz3)c),

(vx3a, (1/2+vy)b, (1/4 + vz3)c), ((1/2–vx3)a, (1/2–vy)b, (3/4 + vz3)c)

vx3=0.15

vy=0.035

vz3=0.015

Op (4)–8d

(1/4a, vyb, (1/4 + vz3)c), (1/4a, –vyb, (3/4 + vz3)c),

(3/4a, (1/2+vy)b, (3/4 –vz3)c), (3/4a, (1/2–vy)b, (1/4 – vz3)c),

(3/4a, –vyb, (3/4 –vz3)c), (3/4a, vyb, (1/4 – vz3)c),

(1/4a, (1/2–vy)b, (1/4 + vz3)c), (1/4a, (1/2+vy)b, (3/4 + vz3)c)

vy=0.035

vz3=0.015

Op (5)–8d

((1/2–vx3)a, vyb, (1/4 + vz3)c), (vx3a, –vyb, (3/4 + vz3)c),

((1/2+vx3)a, (1/2+vy)b, (3/4 –vz3)c), (–vx3a, (1/2–vy)b, (1/4 – vz3)c),

(–vx3a, –vyb, (3/4 –vz3)c), (–vx3a, vyb, (1/4 – vz3)c),

(vx3a, (1/2–vy)b, (1/4 + vz3)c), (vx3a, (1/2+vy)b, (3/4 + vz3)c)

vx3=0.15

vy=0.035

vz3=0.015

 

Симметризованное искажение eg-типа в кислородном октаэдре, использованное для расчета параметра Θ в формуле (2), зависит от сдвигов ионов кислорода vx1, vz1,2 и постоянных решетки a, b, c следующим образом:

Qθ=112b15a+c216vz1vz2c;Qε=2vx1a+vz1+vz22c . (6)

Орбитальную структуру такого типа можно задать соотношением, рассчитанным из формул (2) и (5):

Θ1=Θ3=2πΘ2=2πΘ41.66π. (7)

Уточненная методика расчета незначительно меняет угол смешивания орбитальных функций, но играет решающую роль в моделировании магнитной структуры и существенно изменяет ее по сравнению с работой [23]. Выражения для симметризованных искажений eg-типа (6) соответствуют выражениям, полученным для чистого манганита [26] с учетом увеличения постоянной решетки в направлении a и с учетом различия искажений окружения разных позиций Mn3+ (см. формулу (4)).

Поворотные искажения кислородного октаэдра могут быть описаны двумя углами: φ и ψ. Угол φ – это угол поворота октаэдра вокруг оси a, а угол ψ – это угол поворота вокруг оси b. Пространственное распределение этих искажений приведено в табл. 5.

 

Таблица 5. Углы поворотов кислородных октаэдров, окружающих ионы Mn3+, – пространственное распределение в увеличенной ячейке группы Pnma. Ионы Mn3+ пронумерованы в соответствии с рис. 2

Mn1

Mn2

Mn3

Mn4

j, –y

j, y

–j, –y

–j, y

 

Искажение окружения ионов Mn4+ не рассчитано, так как не используется в исследовании. Значения углов для экспериментальной структуры [15]: φ = 8°, ψ = 11°.

Параметры кристаллической структуры, которые необходимы для расчета сверхобменного взаимодействия на подрешетке Mn3+, собраны в табл. 6.

 

Таблица 6. Структурные параметры сверхобменной связи Mn–O–Mn (из эксперимента [17])

Тип обменной пары

Расстояния Mni–O, Mnj–O, Å

Углы Mni–O–Mnj

Mn3+–Mn4+(ac-плоскость)

2.024, 1.87 (ФМ-связь)

1.916, 1.89 (АФМ-связь)

163.5 (ФМ-связь)

160.8 (АФМ-связь)

Mn4+–Mn4+ (ac-плоскость)

1.90, 2.010

159.1°

Mn4+–Mn4+ (ось b)

1.904

1.907

158.1°

158.9°

 

Обменное взаимодействие и тримерно-страйповая магнитная структура

Магнитная структура зарядово-упорядоченных соединений рассчитывается с помощью гамильтониана для соответствующего количества подрешеток:

H^mag=i>jJij(SiSj)++PH^an(p)+gμBiHSi. (8)

Первое слагаемое отвечает за сверхобменное взаимодействие между различными парами ионов марганца, второе – за одноионную анизотропию подрешеток трехвалентного марганца, третье – за зеемановское взаимодействие со внешним магнитным полем H. При небольших полях тензорной природой g-фактора ян-теллеровских ионов Mn3+ можно пренебречь и принять g=2.

Сверхобменное взаимодействие зависит от орбитального состояния каждого взаимодействующего иона в обменной паре. Орбитальное состояние Mn3+ описывается углом Θ смешивания многоэлектронных волновых функций основного состояния [22] (формула (1)).

JijΘi,Θj=J0,kcos2φijrij10FijkΘi,Θj, (9)

где параметрами конфигурации взаимодействующей пары являются φij (угол связи Mn–O–Mn) и rij (средняя длина связи Mn–O в паре ij). Другие параметры зависят от заряда или орбитальных состояний взаимодействующих ионов в паре: индекс k нумерует типы пар, для которых параметр обменного взаимодействия J0,k различается, FijkΘi,Θj является безразмерной орбитально-зависимой функцией, определяемой симметрией пары. Её зависимость от углов орбитального смешивания Θi, Θj, вызывающих необычные магнитные структуры, бывает трех типов:

    1. Пара Mn3+–Mn3+ (k=1)

Fz,ij1Θi,Θj=1αcosΘi+cosΘj++βcosΘicosΘj,Fx(y),ij1Θi,Θj=1+α2cosΘi±3sinΘi++cosΘj±3sinΘj+β4cosΘi±3sinΘi××cosΘj±3sinΘj.

    2. Пара Mn3+–Mn4+ (k=2)

Fx(y),ij2=1+α'2cosΘi±3sinΘi.

    3. Пара Mn4+–Mn4+ (k=3) – обменное взаимодействие не зависит от орбитального состояния, поэтому F31.

Параметры J0.1=1.69×104 K·Å10, J0.2=–2.6×104 K Å10, J0.3=1.1×104 мэВ·Å10, α=1.0, β=4.5, α'=2.8 являются полуэмпирическими [22].

Одноионная анизотропия для Mn3+ в подрешетке p в локальных осях кислородного октаэдра задается соотношением [22]:

Han(p)=DpSpzl2+EpSpxl2Spyl2; (10)

где  Dp=3PcosΘp,  Ep=3PsinΘp,

P= –0.1 мэВ.

Подрешетки ионов Mn4+ не обладают одноионной анизотропией второго порядка по спиновым компонентам.

Рассмотрим обменную часть гамильтониана (9). Магнитная энергия возможных равновесных структур (на удвоенную ячейку) приведена на рис. 3. С учетом средних расстояний и углов сверхобменной связи получается зависимость, аналогичная La1/3Ca2/3MnO3 [22].

 

Рис. 3. Зависимость магнитной энергии различных структур от угла смешивания орбитальных функций Θ с пространственным распределением орбиталей в соответствии с формулами (4), (7). 1, 2 или G обозначают диапазоны углов Θ с разными типами магнитной структуры.

 

Можно видеть, что для различных диапазонов Θ магнитные структуры из области 1 (магнитная ячейка совпадает с кристаллической, вектор магнитной структуры k=[0 0 0]), области 2 (магнитная ячейка удвоена по сравнению с кристаллической, вектор магнитной структуры k=[0 0 1/2]) или G-типа имеют минимальные энергии. Значения угла Θ вблизи значений, определенных из экспериментальных структур, показаны широкими стрелками на рис. 3 с примерными граничными значениями 5π/3 и π/3.

Широкая стрелка означает, что граница в конкретных соединениях может быть слегка смещена в ту или иную сторону, в зависимости от величин множителей cos2φij/rij2 в выражении (9) или различия величин орбитальных углов для разных позиций Mn3+ в выражении (7), для обменных параметров, которые могут различаться для взаимодействующих пар. Возможные магнитные структры типов 1 и 2 приведены на рис. 4.

 

Рис. 4. Возможные равновесные магнитные структуры манганитов с орбитально-зарядовой структурой “вигнеровский кристалл”, x = 3/4, 4/5. В соседней плоскости ac направления магнитных моментов противоположны. (a–в) – магнитные структуры для La1/4Ca3/4MnO3; aмагнитная структура типа 1 без удвоения магнитной ячейки, бмагнитная структура типа 2 с упорядочением страйпов вдоль орторомбической оси (например, с), в – магнитная структура типа 2 со взаимно перпендикулярным упорядочением страйпов Mn4+– Mn3+– Mn4+ и одним из возможных упорядочений промежуточного страйпа; (г–е) магнитные структуры для Bi1/5Ca4/5MnO3; гмагнитная структура типа 1 без удвоения магнитной ячейки, дмагнитная структура типа 2 с упорядочением страйпов Mn4+– Mn3+– Mn4+ вдоль орторомбической оси (например, с) и одним из возможных упорядочений промежуточного страйпа, емагнитная структура типа 2 со взаимно перпендикулярным упорядочением страйпов Mn4+– Mn3+– Mn4+ и одним из возможных упорядочений промежуточного страйпа.

 

Выбор между различными антиферромагнитными структурами из области 2 можно сделать с учетом одноионной анизотропии. Локальные легкие оси каждого трехвалентного марганца, как и в чистом манганите или в CE-манганите, расположены вдоль вытянутых связей Mn–O. В связи со сменой направлений вытянутых связей (xp, yp) легкие оси различаются в соседних bc-плоскостях, содержащих подрешетки Mn3+. Для незначительно различающихся углов Θ возможны как коллинеарная антиферромагнитная структура, так и антиферромагнитная структура со взаимно перпендикулярными магнитными моментами. Для структур 1 и 2 ферромагнитное взаимодействие в тройке Mn4+–Mn3+–Mn4+, ориентированной вдоль удлиненной связи Mn–O, существенно более сильное, поэтому сильная конкуренция сверхобменных взаимодействий происходит благодаря антиферромагнитным связям внутри плоскости ac. Результат конкуренции зависит от соотношения параметров антиферромагнитного обмена между разными парами. Граничные значения между структурами 1 и 2 достигаются при углах Θ, соответствующих соотношению

ηAFM=2Jac,1S1Jac,3S2=1 , (11)

где полный спин для Mn3+ S1=2, для Mn4+S2=3/2; Jac,1– АФМ-обменный параметр в паре Mn3+–Mn4+; Jac,3 – обменный параметр в паре Mn4+–Mn4+, также АФМ-характера. При ηAFM<1 реализуется магнитное упорядочение типа 1 без удвоения магнитной ячейки вдоль оси c; при ηAFM>1 реализуется магнитное упорядочение типа 2 с удвоением магнитной ячейки вдоль оси c относительно кристаллической ячейки. Этот результат также получен и для вигнеровского кристалла La1/3Ca2/3MnO3 [22].

Рассмотрим подробнее соединения с x =3/4 и 4/5, в которых орбитально-зарядовая структура типа вигнеровского кристалла была зафиксирована экспериментально [14, 15].

В соответствии с орбитальными структурами рассматриваемых соединений, магнитные структуры состоят из двух блоков: страйпов, состоящих из тримеров Mn4+–Mn3+–Mn4+ с сильной ферромагнитной связью, аналогичных La1/3Ca2/3MnO3 [22], и промежуточных страйпов, состоящих из ионов Mn4+. В случае La1/4Ca3/4MnO3 промежуточный страйп состоит из одного слоя Mn4+ в плоскости bc, а в случае Bi1/5Ca4/5MnO3 – из двух слоев Mn4+ в плоскости bc.

Для магнитной структуры типа 2 на рис. 4 приведены по две из нескольких возможных магнитных структур. Без строгого учета одноионной анизотропии направления спинов промежуточных страйпов в перпендикулярных структурах рис. 4в, е настолько сильно фрустрированы, что равную энергию имеют магнитные структуры, в которых спины промежуточных страйпов направлены вдоль любой из орторомбических осей a, b или c. Их упорядочение для x=3/4 может быть как сонаправленным вдоль оси с, так и чередоваться. Для x=4/5 промежуточный страйп антиферромагнитен внутри.

С учетом орбитальных структур (4), (6) и конфигурации сверхобменных связей (табл. 3, 6) были рассчитаны параметры сверхобменных взаимодействий. Их величины для экспериментально определенных кристаллических структур [14, 15] приведены в табл. 7.

 

Таблица 7. Величины сверхобменных взаимодействий в высокодопированных. манганитах со зарядово-орбитальной структурой “вигнеровский кристалл”. Рядом с соединением указаны эксперименты, из которых взята кристаллическая структура для расчета по формулам (8)

Соединение

Тип пары

Величина, мэВ

La1/4Ca3/4MnO3 [14]

Mn3+–Mn3+

Mn3+–Mn4+

Mn4+–Mn4+

J1b=1.4

J2ac, 1=2.3/2.4, J2ac, 2= –12.6/–12.4(для разных позиций Mn3+)

J3b=1.4, J3ac=1.2/1.3 (для разных расстояний в связи со сдвигом)

Bi1/5Ca4/5MnO3 [15]

Mn3+–Mn3+

Mn3+–Mn4+

Mn4+–Mn4+

J1b=1.8

J2ac, 1=1.6, J2ac, 2= –9.4

J3b=1.3, J3ac=1.3

взаимодействие внутри тримера

 

Для того чтобы учесть все обменные взаимодействия, одноионную анизотропию с преобразованием в общую систему координат, а также описать удвоение магнитной ячейки относительно кристаллической, в магнитной ячейке данных соединений необходимо выделить большое количество магнитных подрешеток.

Чем больше степень допирования неизовалентной примесью, тем больше магнитных подрешеток требуется для описания структуры. Так, в работах [28, 22] для описания магнитной структуры La1/3Ca2/3MnO3 используется модель 24 магнитных подрешеток. В данной работе количество подрешеток для моделирования магнитной структуры 32 для x=3/4 и 40 для x=4/5. Распределение подрешеток в удвоенной вдоль оси c ячейке приведено на рис. 5.

 

Рис. 5. Распределение магнитных подрешеток в плоскости ac; a – La1/4Ca3/4MnO3, в соседней плоскости номер подрешетки увеличивается на 16; б – Bi1/5Ca4/5MnO3, в соседней плоскости номер подрешетки увеличивается на 20.

 

Результаты и обсуждение

В результате поиска минимума магнитной энергии, соответствующей гамильтониану (7), смоделирована магнитная структура обоих соединений, аналогичная La1/3Ca2/3MnO3 [22] и состоящая из трех типов страйпов, расположенных в плоскости bc. Два страйпа Mn4+–Mn3+–Mn4+ имеют основное направление спинов примерно вдоль псевдоперовскитных осей xp, yp. Третий – промежуточный – страйп состоит из ионов Mn4+ и обладает направлением спинов примерно вдоль оси b, совпадающей с псевдоперовскитной осью zp. Направления с номерами подрешеток, соответствующих рис. 5, приведены на рис. 6a.

 

Рис. 6. Направления магнитных моментов в тримерно-страйповых структурах высокодопированных манганитов. Направления магнитных моментов в соседней плоскости ac строго противоположны. Красные стрелки – проекции магнитных моментов Mn3+; синие стрелки – проекции магнитных моментов Mn4+ внутри страйпов Mn4+–Mn3+–Mn4+; зеленые стрелки – проекции магнитных моментов Mn4+ в промежуточных страйпах; a, б La1/4Ca3/4MnO3; в, г Bi1/5Ca4/5MnO3.

 

Оптимизация магнитной энергии и определение равновесной магнитной структуры были проведены для бесконечного периодического кристалла с магнитной ячейкой, соответствующей рис. 5, в пакете Wolphfam Mathematica при нулевом внешнем магнитном поле и в зависимости от величины поля, направленного вдоль псевдоперовскитных осей. Проекции магнитных моментов по отношению к псевдоперовскитным осям xp, yp в плоскости ac больше обусловлены экспериментально определенной симметрией кристалла (моноклинной или орторомбической).

Проекции моментов в тримерах La1/4Ca3/4MnO3 отклонены на один и тот же угол (16°) от псевдоперовскитных осей, образуя поворот на этот угол. В Bi1/5Ca4/5MnO3 проекции моментов тримеров наклонены от псевдоперовскитных осей к оси a, аналогично La1/3Ca2/3MnO3 [22], на угол ~7°. В отличие от La1/3Ca2/3MnO3, магнитные моменты в тримерах не параллельны, а отклонены от плоскости ac на разные углы, причем отклонения моментов на трехвалентных марганцах меньше, чем на четырехвалентных.

Для La1/4Ca3/4MnO3 в представленной модели угол отклонения магнитного момента Mn3+ от плоскости ac составляет 9°, Mn4+ внутри тримера – 13°, в промежуточном страйпе – 81° (рис. 6а, б). В Bi1/5Ca4/5MnO3 углы отклонения магнитного момента от плоскости ac больше: для Mn3+ – 14°, для Mn4+ внутри тримера – 20°, в промежуточном страйпе магнитные моменты Mn4+ упорядочены антиферромагнитно в направлении оси b (рис. 6в, г). Эти структуры соответствуют волновым векторам, определенным в работах [13, 14], с волновыми векторами k=[1/4 0 1/2] для x=3/4 и k=[1/5 0 1/2] для x=4/5 внутри плоскости ac (по сравнению с ячейкой Pnma для чистого манганита). Данные волновые векторы связаны только с выбором магнитной ячейки. Удвоение ячейки вдоль оси a и увеличение вдвое количества магнитных подрешеток также не противоречит модели в связи со сложной конфигурацией магнитной подсистемы и наличием конкуренции обменных взаимодействий.

Магнитные упорядочения, полученные в данной модели, противоречат ранним экспериментам для похожих соединений [1, 3] и отличаются от более современных работ [4, 7, 8, 13–15, 27, 29, 30]. В этих работах магнитную структуру манганитов с высокой концентрацией неизовалентной примеси определяют как C-тип, C+G-тип или локально-упорядоченную типа кластерного стекла (CG). Принимая во внимание зарядово-орбитальное упорядочение вигнеровского кристалла для соединений La1/4Ca3/4MnO3 и Bi1/5Ca4/5MnO3 (см. рис. 1, рис. 2), в представленной модели зависимость магнитной энергии от параметра Θ для C-структуры проходит на диаграмме значительно выше линий структур 1 и 2 (см. рис. 3). C-тип магнитной структуры для данных соединений имеет большее число фрустрированных сверхобменных связей, чем упорядочения рис. 4. Магнитное упорядочение, предсказанное в данной работе, похоже на упорядочения в другом ЗУ-соединении La1/3Ca2/3MnO3 в связи с похожей зарядово-орбитальной структурой [6, 5, 22]. Авторы экспериментальной работы [13] предложили описание в виде смешивания структур C-типа и вигнеровского кристалла, хотя и упомянули про то, что данные допускают и другие интерпретации. Магнитная структура вигнеровского кристалла из работы [13] отличается от предложенной в данной работе и изображенной на рис. 4, рис. 6. Авторы работ [4, 8] также предположили магнитное состояние типа кластерного стекла (CG). Это упорядочение не может быть описано в рамках модели регулярного кристалла, используемой здесь. Модель вигнеровского кристалла (см. рис. 1, рис. 2) позволяет и более сложные структуры, построенные из таких же страйпов. В работе [13] авторы допускали, что помимо предполагаемого C-типа как в классических работах [1, 3], возможно и большее количество магнитных подрешеток (32 или 36).

Направления спинов примерно вдоль оси b в промежуточных страйпах отличаются от основных направлений экспериментальных структур в плоскости ac [14]. В представленной модели упорядочение магнитных моментов вдоль оси b получаются благодаря неколлинеарным компонентам магнитного упорядочения вдоль оси b в тримерах. Эти компоненты моделируются благодаря поворотным искажениям кислородных октаэдров, окружающих ионы Mn3+ (см. табл. 3, 5). При использовании альтернативных кристаллических структур при описании экспериментальных спектров искажения октаэдров вокруг ионов Mn3+ могут иметь другую пространственную симметрию, таким образом недиагональные компоненты одноионной анизотропии приведут к другой неколлинеарной структуре. Кроме того, не учтены анизотропные взаимодействия подрешеток Mn4+. Так, например, в CaMnO3 имеется легкая ось антиферромагнетизма [2], но ее направление и анизотропия в литературе не описаны. В соединении Bi0.06Ca0.96MnO3, близком по составу к CaMnO3, направление магнитных моментов определено как M = [0, 0.76, 2.26] [13], т. е. имеет легкую ось примерно вдоль оси c, а значит, какие-то анизотропные взаимодействия, связанные с ионами Mn4+, не учтены в настоящей работе. Уточнить наличие компонент магнитной структуры вдоль оси b могли бы полевые зависимости суммарной намагниченности или спектров антиферромагнитного резонанса. Спин-флоп переход для данных структур возможен как при направлении внешнего магнитного поля вдоль одного из тримеров, аналогичный La1/3Ca2/3MnO3 [22, 31], так и при направлении поля вдоль оси b. Их величины в сравнении с полем для x= 2/3 приведены в табл. 8.

 

Таблица 8. Предполагаемые величины полей спин-флоп переходов

Соединение

Направление внешнего магнитного поля

Величина поля спин-флоп перехода, Тл

La1/3Ca2/3MnO3

xp, yp

b

27 [22, 31]

La1/4Ca3/4MnO3

xp, yp

b

12

9.4

Bi1/5Ca4/5MnO3

xp, yp

b

10

5.6

 

Поля спин-флоп-переходов уменьшаются с увеличением допирования в связи с уменьшением величин АФМ-обмена между Mn4+ и увеличением количества фрустрированных связей.

Повторное исследование (по сравнению с [14, 15]) соединений методом нейтронного рассеяния также было бы полезно при исследовании магнитной структуры. Данная модель позволяет предположить магнитную структуру в соответствии с орбитально-зарядовым упорядочением.

Заключение

Таким образом, в работе рассмотрены вигнеровские кристаллы высокодопированных псевдоперовскитных манганитов с концентрацией неизовалентной примеси x=3/4 и 4/5. В этих соединениях благодаря особому зарядово-орбитальному упорядочению присутствует конкуренция сверхобменных взаимодействий, которая описана количественно в модели орбитально-зависимого сверхобменного взаимодействия.

В зависимости от соотношений антиферромагнитных взаимодействий внутри плоскости ac возможны два типа магнитного упорядочения в данной плоскости: с волновыми векторами k=[0 0 0] и k=[0 0 1/2]. Экспериментальные соотношения симметризованных eg-искажений приводят к магнитному упорядочению с волновым вектором k=[0 0 1/2], аналогично La1/3Ca2/3MnO3 [22].

Уточнение магнитной структуры (направления спинов, легкие оси) было проведено при учете орбитально-зависимой одноионной анизотропии ионов Mn3+. Анизотропия Mn3+ в сочетании с обменными взаимодействиями определяет легкие оси подрешетки трехвалентных ионов марганца и создает наведенную анизотропию в подрешетках четырехвалентных ионов марганца, не обладающих собственной одноионной анизотропией второго порядка по спинам. В результате моделирования магнитная структура была разделена на три типа страйпов. Два страйпа состоят из тримеров Mn4+–Mn3+–Mn4+ и обладают легкими осями примерно вдоль псевдоперовскитных осей xp или yp. Для них легкая ось одинакова в каждом страйпе, аналогично x=2/3. Промежуточный страйп состоит из ионов Mn4+, а легкая ось направлена вдоль псевдоперовскитной оси zp, совпадающей с орторомбической осью b. Компоненты магнитной структуры вдоль оси b не подтверждены на эксперименте, поэтому предлагается проверить их наличие с помощью полевой зависимости магнитных моментов, предполагающей наличие спин-флоп перехода в полях <10 Тл.

Автор данной работы заявляет, что у него нет конфликта интересов.

 

1 Wolfram Research, Inc., Mathematica, Version 13.0.0, Champaign, IL (2021).

×

About the authors

L. E. Gonchar

Ural State University of Railway Transport; Ural Federal University named after the First President of Russia B. N. Yeltsin

Author for correspondence.
Email: l.e.gonchar@yandex.ru
Russian Federation, 620034, Ekaterinburg; 620002, Ekaterinburg

References

  1. Goodenough J.B. Theory of the role of covalence in the perovskite-type manganites [La, M(II)]MnO3 // Phys. Rev. 1955. V. 100. P. 564–573.
  2. Wollan E.O., Koehler W.C. Neutron Diffraction Study of the Magnetic Properties of the Series of Perovskite-Type Compounds [(1-x)La(x)Ca]MnO3 // Phys. Rev. 1955. V. 100. P. 545–563.
  3. Jirák Z., Krupička S., Šimša Z., Dlouhá M., Vratislav S. Neutron diffraction study of Pr1-xCaxMnO3 perovskites // J. Magn. Magn. Mat. 1985. V. 53. P. 153–166.
  4. Martin C., Maignan A., Hervieu M., Raveau B. Magnetic phase diagrams of L1-xAxMnO3 manganites (L=Pr, Sm; A=Ca, Sr) // Phys. Rev. B. 1999. V. 60. P. 12191–12199.
  5. Fernández-Díaz M.T., Martínez J.L., Alonso J.M., Herrero E. Structural, thermal, transport, and magnetic properties of the charge-ordered La1/3Ca2/3MnO3 oxide // Phys. Rev. B. 1999. V. 59. P. 1277–1284.
  6. Radaelli P.G., Cox D.E., Capogna L., Cheong S.-W., Marezio M. Wigner-crystal and bi-stripe models for the magnetic and crystallographic superstructures of La0.333Ca0.667MnO3 // Phys. Rev. B. 1999. V. 59. P. 14440–14450.
  7. Blasco J., Ritter C., García J., de Teresa J.M., Perez-Cacho J., Ibarra M.R. Structural and magnetic study of Tb1-xCaxMnO3 perovskites // Phys. Rev. B. 2000. V. 62. P. 5609–5618.
  8. Троянчук И.О., Мантыцкая О.С., Чобот А.Н. Магнитная фазовая диаграмма манганитов Bi1-xCaxMnO3 // ФТТ. 2002. Т. 44. С. 2164–2168.
  9. Бебенин Н.Г., Зайнуллина Р.И., Устинов В.В. Манганиты с колоссальным магнетосопротивлением // УФН. 2018. Т. 188. С. 801–820.
  10. Khomskii D.I., Streltsov S.V. Magnetic oxides // arXiv:2212.14176 [cond-mat.str-el]. https://doi.org/10.48550/arXiv.2212.14176
  11. Погорелов Ю.Г., Локтев В.М. Особенности физических свойств и колоссальное магнитосопротивление манганитов // ФНТ. 2000. Т. 26. С. 231–261.
  12. Mochizuki M., Furukawa N. Microscopic model and phase diagrams of the multiferroic perovskite manganites // Phys. Rev. B. 2009. V. 80. P. 134416.
  13. Santhosh P.N., Goldberger J., Woodward P.M. Phase separation over an extended compositional range: Studies of the Ca1-xBixMnO3 (x ≤ 0.25) phase diagram // Phys. Rev. B. 2000. V. 62. P. 928–942.
  14. Pissas M., Margiolaki I., Prassides K., Suard E. Crystal and magnetic structural study of the La1-xCaxMnO3 compound (x= 3/4) // Phys. Rev. B. 2005. V. 72. P. 064426.
  15. Ade R., Singh R. Magnetic and Transport Properties of Bi0.5-xPrxCa0.5MnO3 (0.0 ≤ x ≤ 0.50) Manganites // J. Supercond. Nov. Magn. 2018. V. 31. P. 1403–1409.
  16. Pissas M., Stamopoulos D., Arulraj A., Prassides K. Evolution of the magnetic structure in overdoped antiferromagnetic La1-xCaxMnO3 (0.51 ≤ x ≤ 0.69) manganites: A neutron diffraction study // Phys. Rev. B. 2023. V. 107. P. 035110.
  17. Grenier S., Kiryukhin V., Cheong S.-W., Kim B.G., Hill J.P., Thomas K.J., Tonnerre J.M., Joly Y., Staub U., Scagnoli V. Observation of orbital ordering and Jahn-Teller distortions supporting the Wigner-crystal model in highly doped Bi1-xCaxMnO3 // Phys. Rev. B. 2007. V. 75. P. 085101.
  18. Yadav K., Varma G.D. Magnetic and charge-ordering properties of Bi0.2 – xPrxCa0.8MnO3 (0.0 ≤ x ≤ 0.20) perovskite manganite // J. Supercond. Nov. Magn. 2012. V. 12. P. 1097–1104.
  19. Лошкарева Н.Н., Мостовщикова Е.В. Электронно-легированные манганиты на основе CaMnO3 // ФММ. 2012. Т. 113. С. 22–42.
  20. Кугель К.И., Рахманов А.Л., Сбойчаков А.О. Электронное фазовое расслоение в магнитных материалах // ФММ. 2022. Т. 123. С. 716–752.
  21. Mori S., Chen C.Y., Cheong S.-W. Pairing of charge-ordered stripes in (La, Ca)MnO3 // Nature. 1998. V. 392. P. 473–476.
  22. Gonchar L.E. Theoretical study of frustrated magnetic ordering in La1/3Ca2/3MnO3: The role of charge-orbital ordering // J. Magn. Magn. Mater. 2020. V. 513. P. 167248.
  23. Gonchar L. Magnetic frustration in insulating Jahn-Teller manganite crystals // Low Temp. Phys. 2022. V. 48. P. 37–42.
  24. Likodimos V., Pissas M. Magnetic heterogeneity in electron doped La1–xCaxMnO3 manganites studied by means of electron spin resonance // J. Phys.: Condens. Matter. 2005. V. 17. P. 3903–3914.
  25. Гончарь Л.Э., Никифоров А.Е. Влияние орбитального упорядочения на формирование магнитной структуры в ян-теллеровском магнетике LaMnO3 // ФТТ. 2000. Т. 42. С. 1038–1042.
  26. Никифоров А.Е., Попов С.Э., Шашкин С.Ю. Микроскопические расчеты структуры и свойств кристалла LaMnO3 // ФММ. 1999. Т. 87. C. 16–22.
  27. Pissas M., Kallias G., Hofmann M., Többens D.M. Crystal and magnetic structure of the La1-xCaxMnO3 compound (x=0.8,0.85) // Phys. Rev. B. 2002. V. 65. P. 064413.
  28. Gonchar L.E. Orbital state dependence of insulating manganites’ magnetic ordering // J. Magn. Magn. Mater. 2018. V. 465. P. 661–669.
  29. Pissas M., Kallias G. Phase diagram of the La1–xCaxMnO3 compound (0.5 ≤ x ≤ 0.9) // Phys. Rev. B. 2003. V. 68. P. 134414.
  30. Endo T., Goto T., Inoue Y., Koyama Y. Disordered Jahn–Teller-Polaron States in the Simple Perovskite Manganite Ca1–xLaxMnO3 with 0.15 ≤ x ≤ 0.28 // J. Phys. Soc. Jap. 2019. V. 88. P. 074708.
  31. Gonchar L.E. Corrigendum to “Theoretical study of frustrated magnetic ordering in La1/3Ca2/3MnO3: The role of charge-orbital ordering” [J. Magn. Magn. Mater.513 (2020) 167248] // J. Magn. Magn. Mater. 2023. V. 575. P. 170749.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. The orbital-charge structure of La1/4Ca3/4MnO3 [14]. Here and in the following figures, Mn3+ ions are depicted as a distribution of electron densities, Mn4+ ions are indicated by spheres. The numbers number the sublattices of the orbital structure.

Download (94KB)
3. Pain. 2. The orbital and charge structure of the manganese sublattice in Bi1/5Ca4/5MnO3 [15].

Download (100KB)
4. Fig. 3. The dependence of the magnetic energy of various structures on the mixing angle of the orbital functions with the spatial distribution of orbitals in accordance with the formulas (4), (7). 1, 2 or G denote ranges of angles Θ with different types of magnetic structure.

Download (72KB)
5. Fig. 4. Possible equilibrium magnetic structures of manganites with the orbital-charge structure “Wigner crystal”, x = 3/4, 4/5. In the adjacent ac plane, the directions of the magnetic moments are opposite. (a–c) – magnetic structures for La1/4Ca3/4MnO3; a – magnetic structure of type 1 without doubling the magnetic cell, b – magnetic structure of type 2 with the ordering of stripes along the orthorhombic axis (for example, c), c – magnetic structure of type 2 with mutually perpendicular ordering of stripes Mn4+– Mn3+– Mn4+ and one of the possible orders of the intermediate stripe; (d–e) – magnetic structures for Bi1/5Ca4/5MnO3; d – magnetic structure of type 1 without doubling the magnetic cell, d – magnetic structure of type 2 with the ordering of Mn4+– Mn3+– Mn4+ stripes along the orthorhombic axis (for example, c) and one of the possible orders of the intermediate stripe, e – a type 2 magnetic structure with a mutually perpendicular ordering of Mn4+– Mn3+– Mn4+ stripes and one of the possible orders of the intermediate stripe.

Download (297KB)
6. Fig. 5. Distribution of magnetic sublattices in the ac plane; a – La1/4Ca3/4MnO3, in the adjacent plane the number of the sublattice increases by 16; b – Bi1/5Ca4/5MnO3, in the adjacent plane the number of the sublattice increases by 20.

Download (116KB)
7. Pain. 6. The application of magnetic moments in the approximately-stripe structures of high-performance manganites, the applications of magnetic moments in the adjacent AC plane are opposite. Red arrows – projections of Mn3+ magnetic moments; blue arrows–projections of Mn4+ magnetic moments inside Mn4+–Mn3+ – Mn4+ stripes; green arrows – projections of Mn4+ magnetic moments in the gaps between stripes; a, b – La1/4Ca3/4MnO3; b, G-Bi1/5Ca4/5MnO3.

Download (142KB)


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».