Магнитные и магнитотепловые свойства гадолиния, тербия и гольмия в области магнитных фазовых переходов

Редкоземельные металлы (РЗМ) и их сплавы вызывают неослабевающий интерес исследователей во г уже более пятидесяти лет. В группу этих металлов входит 17 элементов периодической системы: лантан, скандий, иттрий и 14 лантаноидов. Семейство лантаноидов состоит из церия, празеодима, неодима, прометия, самария, европия, гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия, эрбия, тулия, иттербия и лютеция. Наибольший интерес с точки зрения физики магнетизма представляют так называемые тяжелые РЗМ: металлы, стоящие в ряду лантаноидов после гадолиния. Уникальные магнитные свойства, а именно, наибольшие среди всех элементов Периодической системы величины магнитных моментов атомов этих металлов в совокупности с большой перспективой практического применения являются причиной активного исследования их свойств: число научных публикаций, посвященных редкоземельным магнетикам и их сплавам, неизменно растет, начиная с 1950;х гг., что способствует все более глубокому пониманию физики магнитных явлений РЗМ и их сплавов. Изучение свойств РЗМ также имеет большое прикладное значение, так как указанные металлы, их сплавы и соединения широко используются во всех областях современной техники. По меткому выражению академика А. Е. Ферсмана, РЗМ являются «витаминами промышленности» и ее важным стратегическим потенциалом. РЗМ и их сплавы используются в электронике, приборостроении, атомной промышленности, машиностроении, химической промышленности, в металлургии. Не удивительно, что страны, обладающие значительными запасами редкоземельных металлов, считают их стратегическими, называя РЗМ «золотом XXI века». Так, обладающий наибольшими разведанными запасами РЗМ в мире, Китай, являющийся в настоящее время практически монополистом на рынке редкоземельных металлов, в конце 2010 года увеличил экспортные цены на все металлы этой группы в несколько раз, что вызвало ажиотажный спрос на рынке и. в свою очередь, способствовало еще более резкому росту цен. В ответ на вызовы времени в США началось расконсервирование собственных месторождений РЗМ — крупнейшая добывающая американская компания Мо1усогр заявила о готовности возобновить собственное производство РЗМ в США к 2014 г. По объему разведанных запасов РЗМ Россия занимает третье место в мире. По оценкам экспертов, для возобновления собственной добычи и переработки сырья в нашей стране требуется, по крайней мере, десять лет [1]. Во исполнение этой цели в 2010;2011 гг. в Правительстве РФ была разработана Федеральная целевая программа, которая предполагает восстановление полного цикла добычи-перерабогки-изготовления продукции из добываемого на территории РФ редкоземельного сырья. Стратегической целыо указанной программы является завоевание 10% мирового рынка РЗМ к 2020 г. Выполнение поставленной цели поручено Государственной корпорации «РОСАТОМ» и ее головным предприятиям. Таким образом, можно надеяться, что возрождение интереса к редкоземельным металлам в нашей стране в скором времени приведет к возобновлению широкомасштабных исследований их свойств в ведущих отечественных лабораториях. Важно отметить, что основные физические и химические свойства РЗМ в настоящее время хорошо изученызначительный вклад в понимание физики магнетизма РЗМ внесли теоретические и экспериментальные работы К. П. Белова [2], Ю. А. Изюмова [3], И. Е. Дзялошинского [4], А. К. Звездина [5] и других [6,7,8]. Более того, изучение РЗМ началось и активно развивалось именно на кафедре общей физики и физики конденсированного состояния физического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова под руководством профессоров К.11.Белова [9], Р. З. Левитина [10], С. А. Никитина [11]. В этом смысле данная диссертационная работа является логическим продолжением исследований, проводившихся на физическом факультете Московского государственного университета.

В настоящей работе ставится задача комплексного изучения магнитных и магнитотепловых свойств трех металлов редкоземельного ряда: гадолиния, тербия и гольмия. Комплексность исследования заключается в использовании целого ряда как традиционных (измерение полевых и температурных зависимостей намагниченности, реальной и мнимой компонент магнитной восприимчивости, теплоемкости, магнитокалорического эффекта), так и новых экспериметальных методик (Холловская магнитометрия, Андреевская спектроскопия).

Актуальность изучения гадолиния обусловлена возросшим интересом научного сообщества к магнитокалорическому эффекту (МКЭ), что связано не только с фундаментальными причинами, поскольку МКЭ позволяет получить дополнительную информацию о природе магнитных фазовых переходов, но также с практическим применением, связанным с построением магнитных холодильных и тепловых машин, основанных на применении МКЭ, применением в медицине, получением сверхнизких температур [12,13].

Под магнитокалорическим эффектом обычно понимают адиабатическое изменение температуры или изотермическое изменение магнитной части энтропии (АБ магнитного материала, индуцированное изменением магнитного ноля. Эги величины используются в качестве количественных характеристик МКЭ.

Металлический поликристаллический и монокристаллический гадолиний в настоящее время используется в созданных прототипах магнитных рефрижераторов, и детальное изучение его магнитных и магнитотепловых свойств может оказать влияние па усовершенствование конструкции магнитных холодильных машин и способствовать переходу к их промышленному производству.

Важно отметить, что максимальных величин МКЭ достигает в области магнитных фазовых переходов. Поэтому исследование особенностей поведения данного эффекта в этой области представляет существенный научный и практический интерес. Одна из точек магнитных фазовых переходов ферромагнетиков — температура Кюри, выше которой в веществе более не наблюдается дальний магнитный порядок. Данное определение температуры Кюри применимо в отсутствие магнитного поля для любого магнитного материала, который претерпевает магнитный фазовый переход ферромагнетик-парамагнетик (ФМ-ПМ), но в то же время оно не содержит конкретного порядка действий по определению величины Тс. В настоящей работе путем рассмотрения уравнения состояния ферромагнитного материала в приближении среднего поля показано, что поле размагничивания может оказывать заметное влияние на величину Тс. Это теоретическое утверждение подтверждено анализом результатов детальных экспериментальных исследований намагниченности монокристаллов гадолиния существенно различной формы в окрестности предполагаемой температуры Кюри данного металла.

Настоящий бум в исследовании магнитокалорических материалов, который наблюдается в последние десятилетия, поддерживается ожиданием того, что среди новых магнитных материалов для магнитного охлаждения будет найден материал, у которого значение удельного адиабатического изменения температуры АТм1 будет значительно превосходить значение такового у металлического гадолиния (2,6 К/Тл). В данной работе проблема максимума адиабатического изменения температуры в материале (максимума МКЭ) рассматривается, исходя из общих термодинамических принципов, и впервые дается ответ на вопрос: какое максимальное удельное значение адиабатического изменения температуры может быть теоретически достигнуто в ферромагнитных материалах, испытывающих фазовый переход второго рода, при приложении магнитного поля, например, 1 Тл.

Процесс оптимизации магнитных материалов с целью их применения в прототипах магнитных холодильников и, в особенности, перспектива использования комбинированных рабочих тел, требуют более глубокого понимания поведения полевой 6 и температурной зависимостей их МКЭ и теплоемкости. Это необходимо для того, чтобы наиболее точно подобрать рабочее тело для каждого узкого интервала температур. В настоящей работе экспериментально исследуется взаимосвязь поведения намагниченности м, теплоемкости С и МКЭ вблизи точек магнитных фазовых переходов в слабых магнитных полях.

Прикладные исследования МКЭ преследуют две цели: оптимизацию свойств материала (в частности, увеличение величины МКЭ и смещение точки Кюри в необходимую, заранее заданную конструкцией, область температур) и снижение стоимости материала. Поэтому, в смысле сочетания физических характеристик и приемлемой цены актуален поиск оптимальных составов сплавов или соединений, при котором меняют концентрации составляющих элементов или добавляют новые элементы в состав, что значительно увеличивает количество образцов, в которых необходимо экспериментально определить зависимость МКЭ от температуры и магнитного ноля.

В настоящее время известны прямые и непрямые экспериментальные методы определения полевых и температурных зависимостей МКЭ. Общий недостаток этих методов — высокие трудозатраты при проведении исследований. В то же время, для моделирования работы магнитных холодильников нужна детальная информация о зависимости ATod (T, H) во всем рассматриваемом диапазоне температур. В работе предлагается новый метод исследования МКЭ, а именно, с помощью так называемой универсальной кривой для &Tad. Как было показано в работе [14], в материалах с фазовым переходом второго рода существует универсальная кривая для изменения магнитной части энтропии, ^,"agn ¦ В настоящей работе предлагается феноменологическая процедура построения универсальной кривой для адиабатического изменения температуры &-Та (1, которая не требует знания уравнения состояния материала, и использование которой значительно сокращает время па проведение экспериментов при технологических исследованиях.

В качестве материала для проверки сделанных выше предположений был выбран монокристаллический и поликристаллический гадолиний (Gd), так как он является одним из наиболее известных ферромагнетиков, испытывающих фазовый переход второго рода [15,16]. Наличие или отсутствие соответствующих эффектов, исследованных на наиболее изученном материале, позволит в будущем распространить полученные результаты на более сложные магнитные системы.

Магнитокалорическис свойства редкоземельных металлов тербия и гольмия, в отличие от гадолиния, не находят применения на практике, однако их изучение представляется весьма интересным с точки зрения понимания фундаментальных основ физики магнитных явлений и физики магнитных материалов с косвенным обменным взаимодействием, так как эти металлы, наряду с диспрозием, обладают максимальными значениями атомных магнитных моментов среди элементов редкоземельного ряда [17], Более того, тербий и его сплавы считаются основой для изготовления лучших магнитострикционных материаловгольмий и его соединения широко используются в атомной технике и промышленности [18]. Как следует из анализа литературных данных, ранее магнитные и тепловые свойства монокристаллов этих металлов изучались с использованием образцов разного качества. В связи с этим достаточно трудно сравнивать результаты, полученные разными авторами, в попытке составить ясную картину всего многообразия магнитных фаз, наблюдаемых в тербии и гольмии, и построить на их основе полные фазовые диаграммы металлов. Анализ литературы показывает, что подробное изучение магнитотепловых свойств этих металлов с использованием целой серии различных экспериментальных методик в случае магнитных полей, приложенных вдоль различных кристаллографических направлений, на высокочистых монокристаллических образцах до сих пор не проводилось.

Подобное изучение магнитных и тепловых свойств высокочистых монокристаллов тербия и гольмия имеет фундаментальное значение, так как на характер магнитной фазовой диаграммы существенным образом влияет концентрация Н, С, О, N и F, когда она превышает несколько сотен весовых ррт [19]. Важность использования высокочистых образцов тяжелых РЗМ при изучении магнитной структуры материалов также отмечалась в работе [20], где была продемонстрирована высокая чувствительность аномалии теплового расширения тербия к состоянию структуры и чистоте образца. В работе J. Jensen и A. Mackintosh [21] делается вывод о том, что в тяжелых редкоземельных металлах вполне возможно открытие новых магнитных фаз и структур, занимающих большое количество слоев магнитной подрешетки, при достаточной степени чистоты и совершенства кристаллов. В частности, авторы указывают на вероятность обнаружения в материалах с периодическим упорядочением магнитной фазы типа веер со структурой геликоида (в англоязычной литературе используется обозначение helifan — helix+fan), захватывающей много слоев. Схематическое изображение данной структуры представлено на рисунке 1.

Кроме того, влияние внешнего магнитного поля на периодические структуры может быть весьма необычным при наличии спиновых кластеров, в которых часть 8 магнитных моментов параллельна направлению поля, а часть — антипараллельна (модулированные структуры). В данном случае в материале может произойти переход к структуре типа спин-слип (спинового проскальзывания). Появление таких структур связано с дополнительной модуляцией периодической магнитной структуры в областях несоизмеримости кристаллической и магнитной подрешеток. Такие изменения магнитной структуры являются достаточно тонкими: их выявление возможно только с помощью применения комплексных методов исследования на высокочистых образцах.

Рисунок 1. Веер со структурой геликоида типа 3/2, наблюдаемый в гольмии при 50 К. Магнитные моменты лежат в плоскостях, перпендикулярных оси гексагональной симметрии с, их относительные положения изображены стрелками. Магнитные моменты, параллельные и антипараллельные внешнему полю, изображены с помощью черных и белых стрелок, соответственно. Такая структура повторяется с периодичностью 3/2 структуры соответствующего.

Магнитные фазовые диаграммы, построенные в настоящей работе по результатам экспериментов, отличаются от фазовых диаграмм, опубликованных ранее [22,23,24,25]. Для лучшего понимания природы и поведения магнитных структур в тербии и гольмии в указанных интервалах температуры и магнитных полей требуются дальнейшие теоретические исследования и эксперименты по рассеянию нейтронов и рентгеновских лучей.

В настоящей работе представлены экспериментальные результаты измерений намагниченности (полевые и температурные зависимости), магнитной восприимчивости и теплоемкости монокристаллов тербия и гольмия как функций магнитного поля и температуры. Измерения проводились на высокочистых образцах одной степени чистоты и совершенства структуры с магнитными полями, приложенными вдоль всех кристаллографических направлений образцов. Полученные результаты сравниваются с ранее опубликованными данными. Для анализа поверхности монокристаллов гольмия и 9.

НеШап (3/2) простого" геликоида [ 17]. составления «магнитной карты» металла в определенных интервалах полей и температур применялась методика Холловской магнитометрии.

Кроме того, на основании уточненной фазовой диаграммы монокристалла тербия в базисной плоскости в настоящей работе сделана попытка объяснить относительно высокие (по сравнению с другими тяжелыми РЗМ) значения изменения магнитной части энтропии, наблюдаемые в металле при изменении магнитного поля на величину более 50 кЭ.

Как было указано выше, помимо достаточно традиционных методов исследования магнитных материалов, в работе использовались и нестандартные методики, которые также позволяют получить информацию о наличии тех или иных магнитных структур. Так, с использованием экспериментальной методики Андреевской спектроскопии были изучены свойства контакта сверхпроводник/ферромагнетик с целыо обнаружения аномального эффекта Андреевского отражения, предсказанного ранее теоретически в материалах, в которых существует область неоднородной намаг ниченности. В качестве такого материала были выбраны монокристалл и тонкая монокристаллическая пленка гольмия. Обнаружение аномального эффекта Андреевского отражения позволило косвенно подтвердить существование ферромагнитного упорядочения типа конус в гольмии в области низких температур (< 10 К) в слабых магнитных полях.

Таким образом, ввиду повышенного интереса научно-технического сообщества к редкоземельным металлам и их сплавам, изучение магнитных и магнитогепловых свойств наиболее интересных представителей редкоземельного ряда — гадолиния, тербия и гольмия — представляет собой актуальную задачу как с фундаментальной точки зрения, так и с точки зрения перспектив практического применения.

Цель исследования. Цель диссертационной работы заключалась в комплексном изучении магнитных и магнитотепловых свойств тяжелых редкоземельных металлов: гадолиния, тербия и гольмия — для выявления особенностей их поведения в области магнитных фазовых переходов, а также для уточнения магнитных фазовых диаграмм.

Задачи исследования:

1. На основе детальных измерений полевых зависимостей намагниченности определить величину температуры Кюри монокристаллического металлического гадолиния методом Белова-Горяги с учетом влияния размагничивающего фактора. Получить теоретическое выражение для значения «истинной» температуры Кюри.

2. Теоретически определить максимальное значение удельной величины МКЭ. Продемонстрировать, что поиск объемного магнитного материала.

10 со свойствами лучше, чем у гадолиния, для использования в магнитных холодильниках, представляет собой крайней сложную задачу.

3. Экспериментально исследовать закономерности поведения намагниченности, теплоемкости и МКЭ для поликристаллического гадолиния в области температуры Кюри.

4. С целью упрощения экспериментального и теоретического исследования МКЭ магнитных материалов предложить феноменологическую процедуру построения универсальной кривой для МКЭ и проверить ее на примере гадолиния.

5. Провести измерения нолевых и температурных зависимостей намагниченности, реальной и мнимой компонент магнитной восприимчивости и теплоемкости монокристаллов тербия вдоль всех кристаллографических направлений. На основании полученных данных уточнить магнитную фазовую диаграмму металла с указанием точных границ существования ранее известных и новых фаз.

6. Провести комплексные измерения магнитных и магнитотепловых свойств монокристаллов гольмия вдоль всех кристаллографических направлений, в том числе, с привлечением оригинальных методик Холловской магнитометрии и Андреевской спектроскопии. Уточнить магнитную фазовую диаграмму металла с указанием точных границ существования ранее известных и новых фаз.

7. Исследовать Андреевские спектры контакта ЫЬ/Но. Получить экспериментальные доказательства возникновения аномального эффекта Андреевского отражения — образование куперовской пары в триплетном состоянии. Подтвердить существование ряда магнитных структур в гольмии, обнаружение которых традиционными методами затруднительно.

Положения, выносимые на защиту:

1. Величина наблюдаемой на эксперименте температуры Кюри Тс ферромагнитных материалов существенно зависит от действия поля размагничивания. «Истинная» величина температуры определяется экспериментально методом Белова-Горяги с учетом влияния размагничивающего фактора.

2. Максимальная удельная величина адиабатического изменения температуры ATa¡-¡-в объемных ФМ материалах не превышает значения -18 К/Тл, более реалистичная оценка — единицы градусов (до 8−9 К/Тл).

3. Максимумы магнитотепловых свойств (производной намагниченности, МКЭ) поликристаллического гадолиния, за исключением теплоемкости, смещаются в слабых магнитных полях в сторону более высоких температур с увеличением внешнего поля. Аномальное смещение максимума теплоемкости в сторону более низких, по сравнению с Тс, температур объясняется сложной зависимостью магнитного вклада в теплоемкость от величины внешнего поля.

4. Для определения зависимостей адиабатического изменения температуры aTad от поля (//) и температуры (7) в широком интервале температур используется дискретный набор экспериментально измеренных кривых ATi? r?(H), а остальные точки на кривых ATad (T) и ATad (H) вычисляются с помощью универсальной кривой для МКЭ.

5. Детальные измерения теплоемкости, намагниченности и магнитной восприимчивости в переменном магнитном поле на монокристалле тербия в полях от 0 до 75 кЭ в диапазоне температур от 1,8 до 350 К позволили построить уточненную магнитную фазовую диаграмму монокристалла тербия в базисной плоскости. На фазовой диаграмме обнаружена трикритическая точка, а также широкая область существования промежуточной фазы типа веер. Ниже 221 К тербий является ферромагнетиком, и парамагнитен выше 228 К.

6. Комплексные исследования монокристалла гольмия в интервале полей от 0 до 100 кЭ в диапазоне температур от 1,8 до 350 К позволили уточнить магнитную фазовую диаграмму металла. Вместе с уже известными фазами, такими как геликоидальное антиферромагнитное (ГАФМ) упорядочение между 20 и 128 К. и ФМ структура типа конус, наблюдаемая ниже 20 К в слабых магнитных полях, в гольмии обнаруживаются три новые области существования структур типа спин-слип в температурных диапазонах 20−35 К, 35−42 К, и 95−110 К.

7. На контакте сверхпроводник/ферромагнетик (S/F), образованном между Nb и Но, возникает эффект аномального Андреевского отражения в системе Nb/Ho. Данное положение подтверждает факт существования ФМ структуры типа конус в гольмии в области низких температур.

Научная новизна работы. Проведенные исследования расширяют существующие представления о магнитных и магнитотепловых свойствах гадолиния, тербия и гольмия.

На примере монокристаллического гадолиния впервые была доказана зависимость наблюдаемой на эксперименте температуры Кюри от величины размагничивающего фактора. Впервые была получена теоретическая оценка максимальной удельной величины МКЭ. Взаимосвязь поведения аномалий магнитных и магнитотепловых свойств также ранее не исследовалась. Кроме того, впервые была предложена феноменологическая процедура построения универсальной кривой для адиабатического изменения температуры.

Магнитные и магнитотепловые свойства тербия и гольмия были впервые измерены на высокочистых монокристаллических образцах одного качества. Магнитные фазовые диаграммы металлов были впервые построены на основании комплексного исследования, проведенного с помощью целого ряда экспериментальных методик. Фазовая диаграмма тербия впервые построена с учетом точных границ существования фазы типа веер. Показано, что трикритическая точка в тербии наблюдается при температуре 226 К в поле -150 Э, Также в гольмии впервые определена область существования фазы типа спин-слип в интервале 95−110 К. Кроме того, в диапазоне 40−120 К и 20−80 кЭ в гольмии впервые наблюдалась промежуточная фаза типа «ферро+веер».

Достоверность результатов. Результаты, представленные в диссертации, получены в экспериментах, проведенных на современном, метрологически аттестованном научном оборудовании, с использованием статистических методов обработки экспериментальных данных. Достоверность полученных результатов обеспечивалась набором взаимодополняющих экспериментальных методик и воспроизводимостью получаемых результатов. Результаты исследований опубликованы в реферируемых журналах и апробированы на специализированных международных конференциях.

Практическая значимость работы. Исследования подобного рода интересны с практической точки зрения, так как существуют предпосылки создания магнитных холодильных машин, работающих на частотах в десятки, сотни, а по некоторым оценкам, и тысячи герц. Необходимо отметить, что подобные исследования особенно важны для материалов с магнитным фазовым переходом второго рода, которые считаются наиболее перспективными для практического применения в магнитных холодильниках. Важной прикладной проблемой при поиске перспективных материалов для магнитного охлаждения является определение величины МКЭ в магнитных материалах, в частности, ее максимально возможного значения, так как подобная оценка позволяет моделировать предельные циклы магнитных холодильных машин, использующих теоретически.

13 максимально достижимые значения МКЭ и, таким образом, оценить, каких величин эффективности данная технология в принципе могла бы достичь. Определение точной величины температуры Кюри также важно с практической точки зрения, так как таким образом наиболее точно определяется интервал рабочих температур магнитного холодильника. Предложенная процедура построения универсальной кривой МКЭ в несколько раз ускоряет процесс технологических исследований: данная процедура уже формализована на языке программирования LabVievv и является рабочей программой в установке по экспресс-измерению МКЭ производства ООО «Перспективные магнитные технологии и консультации».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены в виде устных и стендовых докладов на 1 1 российских и международных конференциях: Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2009» — Москва, 13−17 апреля 2009 г., Конференция по магнитному охлаждению при комнатных температурах (Thermag III) — Де Мойн, шт. Айова. США 1115 мая 2009 г., Новое в магнетизме и магнитных материалах (HMMM-XXI) — Москва, 28 июня-4 июля 2009 г., Международная конференция по магнетизму (ICM 2009) — Карлсруэ, Германия 26−31 июля 2009 г., 5-я Международная конференция «Функциональные материалы» (1CFM-2009) — Крым, Украина 5−10 октября 2009 г., 11 Joint MMM-IntermagВашингтон, США 18−22 января 2010 г., Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2010» — Москва, 12−16 апреля 2010 г., Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2011» — Москва, 11−15 апреля 2011 г. Московский международный симпозиум по магнетизму (MISM-2011), 21−25 августа 2011 г., Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2012» — Москва, 9−13 апреля 2012 г., Конференция по магнитному охлаждению при комнатных температурах (Thermag V) -Гренобль, Франция, 17−20 сентября 2012 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ. Список приведен в конце диссертации. В число публикаций входит 5 статей в журналах из списка ВАК.

Личный вклад автора. Все результаты, представленные в работе, получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав с основными результатами и выводами, списка литературы из 157 наименований. Общий объем работы составляет 149 страниц, из них 137 страниц текста, включая 68 рисунков и 6 таблиц.

Основные результаты и выводы.

1. Проведены комплексные исследования магнитных и магнитотепловых свойств высокочистых монокристаллов гадолиния, тербия и гольмия в области температур 4,2−350 К в постоянных магнитных полях до 10 Тл.

2. Показано, что определяемая на основе экспериментальных данных с использованием модифицированного метода Белова-Горяги температура Кюри ферромагнитных материалов зависит от формы образца. Получено выражение для определения «истинной» величины температуры Кюри ферромагнетиков с учетом размагничивающего фактора.

3. Проведена теоретическая оценка верхней границы удельной величины магнитокалорического эффекта для объемных ферромагнетиков в области комнатных температур. Продемонстрировано, что максимальная удельная величина МКЭ может достигать 8−18 К/Тл.

4. Экспериментально установлено, что в высокочистом образце поликристалла гадолиния максимум теплоемкости смещается в сторону низких температур при увеличении магнитного поля до значения поля ~ 20 кЭ, что хорошо согласуется с теоретическими предсказаниями. Аномальное поведение максимума теплоемкости объясняется сложным характером поведения полевой зависимости магнитной части теплоемкости при температурах в окрестности точки Кюри.

5. Построена феноменологическая универсальная кривая для адиабатического изменения температуры АТш/. Данная кривая может быть использована для предсказания характера поведения магнитокалорических материалов в различных термодинамических условиях, недоступных в лаборатории, а также для увеличения информативности экспериментальных данных при проведении моделирования рабочих циклов магнитных холодильников.

6. Построена уточненная фазовая диаграмма монокристалла тербия в базисной плоскости. Обнаружено, что критическое поле существования геликоидального антиферромагнитного (ГАФМ) упорядочения составляет 155 Э, что меньше значений 300 — 800 Э, опубликованных ранее. Установлено, что ГАФМ структура существует в тербии в диапазоне температур от 221 до 228 К. Магнитная фаза веерного типа наблюдается в том же самом температурном диапазоне в интервале магнитных полей от 155 Э до 5 кЭ.

7. Построена уточненная фазовая диаграмма монокристалла гольмия в базисной плоскости. Точно определены границы трех новых областей существования структур типа спин-слип в интервалах температур 20−35 К, 35−42 К, и 95−110 К. Показано, что в диапазоне 40−120 К и 20−80 кЭ существует промежуточная фаза типа «ферро+веер».

8. Продемонстрировано аномальное поведение спиновой поляризации Р и параметра поверхности контакта сверхпроводник/ферромагнетик Ъ в зависимости от сопротивления контакта в магнитно неоднородных системах — монокристалле и тонкой пленке гольмия. С помощью экспериментальной методики Андреевской спектроскопии установлено существование структуры типа конус в гольмии при температуре ниже 20 К в слабых магнитных полях.

Список публикаций по теме диссертационной работы.

Статьи в журналах из перечня ВАК.

1. Field dependence of the adiabatic temperature change in second order phase transition materials: application to Gd / V. Franco, A. Conde, J.M. Romero-Enrique, Y.I. Spichkin, V.I. Zverev and A.M. Tishin // J. Appl. Phys. 2009. Vol. 106. P. 103 911−1-103 911−4.

2. The maximum possible magnetocaloric AT-effect / V.I. Zverev, M.D. Kuz’min, A.M. Tishin // J. Appl. Phys. 2010. Vol. 107. P. 43 907−1-43 907−3.

3. Evidence for spin mixing in holmium thin film and crystal samples / I. Т. M. Usman, K.A. Yates, J. D. Moore, K. Morrison, V. K. Pecharsky, K.A. Gschneidner, Jr., T. Verhagen, J. Aarts, V. I. Zverev, J. W. A. Robinson, J. D. S. Witt, M. G. Blamire, L.F. Cohen// Phys. Rev. B. 2011. Vol. 83. P. 144 518−1-144 518−6.

4. The role of demagnetization factor in determining the 'true' value of the Curie temperature / V.I. Zverev, R.R. Gimaev, A.M. Tishin, Ya. Mudryk, K.A. Gschneidner, Jr., V.K. Pecharsky//J. Magn. Magn. Mater. 201 1. Vol. 323. P. 2453−2457.

5. Erratum: Evidence for spin mixing in holmium thin film and crystal samples / I.T.M. Usman, K. A. Yates, J. D. Moore, K. Morrison, V. K. Pecharsky, K.A. Gschneidner, Jr., T. Verhagen, J. Aarts, V. I. Zverev, J. W. A. Robinson, J.D.S. Witt, M. G. Blamire, L. F. Cohen // Phys. Rev. B. 2011. Vol. 84. P. 139 904.

Публикации в трудах конференций.

1. Complex behavior of magnetization and magnetocaloric effect in low magnetic field in the vicinity of magnetic phase transitions / V.I. Zverev, A.M. Tishin // Proceedings of Third IIF-IIR International Conference on Magnetic Refrigeration at Room Temperature (Thermag III), Des Moines, Iowa, USA, May 11−15, 2009, p. 345−352.

2. Аномалии поведения намагниченности и магнетокалорического эффекта в слабых магнитных полях вблизи точек фазовых переходов / В. И. Зверев // Материалы XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», 2009, с. 248−249.

3. Взаимосвязь максимумов магнитокалорического эффекта, намагниченности и магнитной части энтропии вблизи точек магнитных фазовых переходов в слабых магнитных полях / В. И. Зверев, А. М. Тишин // Сборник трудов XXI.

Международной конференции НМММ — 2009, 28 июня — 4 июля 2009, Москва, с. 778.

4. The maximum possible magnetocaloric ДТ-effect / V.I. Zverev, M.D. Kuz’min, A.M. Tishin // Proceedings of The International Conference on Magnetism, Carlsruhe, Germany, July 26−31, 2009, p. 135.

5. Методика определения «истинной» температуры Кюри ферромагнитных материалов с учетом воздействия размагничивающего поля / В. И. Зверев // Материалы XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», 2010, с. 202.

6. Исследование магнитотепловых свойств монокристалла тербия и уточнение его фазовой диаграммы / В. И. Зверев, P.P. Гимаев // Материалы XVIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», 2011, с. 169.

7. Independence of the magnetic part of heat capacity in the vicinity of 7c / V.I. Zverev, R.R. Gimaev, A.M. Tishin, Ya. Mudryk, K.A. Gschneidner, V.K. Pecharsky // Book of abstracts, Moscow International Symposium on Magnetism (MISM-2011), 2011, p. 659.

8. An analysis of magnetic contribution to the heat capacity in the vicinity of phase transitions / V.I. Zverev, R.R. Gimaev, A.M. Tishin, Ya. Mudryk, K.A. Gschneidner, V.K. Pecharsky // Book of abstracts, Fifth 1IF-11R International Conference on Magnetic Refrigeration at Room Temperature (Thermag V), Grenoble, France, September 17−20, 2012, p. 185.