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Magnetic properties of Gd3+ based systems

Devishvili, Anton (2010) Magnetic properties of Gd3+ based systems.
Dissertation, University of Vienna. Fakultät für Physik
BetreuerIn: Rotter, Martin

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DOI: 10.25365/thesis.11710
URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-29075.53762.815765-9

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Abstract in English

Gd3+ based rare earth systems are of particular interest due to their large spin (S=7/2). The 4f shell is half filled, implying spherically symmetric charge density and no orbital moment (L=0). There are no first order crystal field effects present in this type of systems, therefore, no magnetocrystalline anisotropy is expected. The standard model of rare earth magnetism suggests a relatively simple mean field model treatment which predicts only spin-spin interaction magnetism with classical dipolar anisotropy. A magnetic structure study of several Gd compounds is presented in this thesis. The structure investigation has been performed with neutron scattering techniques at the ILL accompanied by bulk measurements and numerical analysis. Magnetic properties of GdCu6 (orthorhombic with spacegroup P n m a) can be described well within this model. Susceptibility and magnetization indicate antiferromagnetic order below the Neel temperature Tn =16 K. Neutron diffraction suggests the presence of a long period possibly incommensurate structure of (h 0 0) type propagation vector (0.16 < h < 0.25). The results of the neutron diffraction are in accordance with the expectations from the mean field model. In contrast to GdCu6, the tetragonal antiferromagnet GdRu2Si2(I 4/m m m) is not well explained within the framework of the standard model of rare earth magnetism. Magnetization and susceptibility measured along the different crystallographic axes show an unusually high anisotropy and some additional unexpected features in the magnetic phase diagram. Neutron and magnetic X-ray measurements indicate an antiferromagnetic order below the Neel temperature Tn = 47 K with a propagation vector of (0.22 0 0). Some partial correspondence to experimentally observed behavior has been obtained by introducing isotropic biquadratic and anisotropic bilinear interactions. Various other Gd intermetallic compounds have been investigated in less detail but the presence of a long period possibly incommensurate magnetic structure is a common feature observed within all studied compounds.

Schlagwörter in Englisch

Gadolinium / Neutron / scattering / Antiferromagnetic

Abstract in German

Aufgrund ihres grossen Spinmoments (S = 7/2) sind gadoliniumhaltige Verbindungen von grossem wissenschaftlichen Interesse. Die halbgefuellte 4f Schale fuehrt zu einer kugelsymmetrischen Ladungsverteilung ohne Orbitalmoment (L = 0) und es ist keine magnetokristalline Anisotropie zu erwarten. In einer einfachen Molekularfeldtheorie ist ausschliesslich die Spin-Spin-Wechselwirkung anisotrop. In dieser Arbeit wurde die magnetische Strukturen verschiedener gadoliniumhaltiger Verbindungen mit Neutronen gemessen und modelliert. Suszeptibilitaets- und Magnetisierungsmessungen weisen darauf hin, dass die orthorhombische Verbindung GdCu6 unterhalb Tn = 16 K antiferromagnetisch geordnet ist. Eine inkommensurable magnetische Ordnung konnte in der Tat durch Neutronendiffraktion bestimmt und mittels einer einfachen Molekularfeldtheorie beschrieben werden. Demgegenueber scheitert eine solche Beschreibung im Fall der tetragonalen Verbindung GdRu2Si2. Schon in Suszeptibilitaets- und Magnetisierungsmessungen beobachtet man eine ungewoehnlich hohe Anisotropie und mehrere magnetische Phasen. Die magnetische Struktur konnte mit Neutronen- und magnetische Roentgenstreuung im Detail bestimmt und nur unter Einbeziehung einer isotropen biquadratischen und einer anisotropen bilinearen Wechselwirkung zufriedenstellend modelliert werden. Diesen beiden sowie allen weiteren untersuchten Verbindungen ist eine inkommensurable Struktur mit grosser Periodenlaenge gemeinsam.

Schlagwörter in Deutsch

Gadolinium / Neutronenstreuung / Antiferromagnet

Item Type: Hochschulschrift (Dissertation)
Author: Devishvili, Anton
Title: Magnetic properties of Gd3+ based systems
Umfangsangabe: 111 S. : Ill.
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Physik
Publication year: 2010
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Rotter, Martin
Assessor: Stocker, Oliver
2. Assessor: Jensen, Jens
Classification: 33 Physik > 33.75 Magnetische Materialien
33 Physik > 33.61 Festkörperphysik
33 Physik > 33.16 Elektrizität, Magnetismus
AC Number: AC08406790
Item ID: 11710
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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