Pomiary własności magnetycznych materiałów przy pomocy
Transkrypt
Pomiary własności magnetycznych materiałów przy pomocy
Pomiary własności magnetycznych materiałów przy pomocy magnetometru typu squid ćwiczenie na pracowni specjalistycznej dla studentów IV roku Fizyki Ciała Stałego i InŜynierii Materiałowej Miejsce: IF UJ pokój −156A Kontakt: dr Michał Rams, pokój 020, [email protected] Termin: 3 kolejne piątki, 9.00-15.00 (godziny do uzgodnienia z prowadzącym ćwiczenie) Studenci przed ćwiczeniem powinni dobrze zapoznać się z dołączonymi materiałami: M. McElfresh, Fundamentals of magnetism and magnetic measurements, w szczególności w części dotyczącej mierzonych wielkości i sposobu pomiaru (strony od 5 do 15) i znać typowe zachowania magnetyczne materiałów (strony 15-28). Plan ćwiczenia: • Dyskusja na temat tego co się będzie mierzyć, w jaki sposób. • Dolanie ciekłego helu (w miarę potrzeby). • Wykonanie pomiarów dla dwu z poniŜszych próbek. • Próbka A: magnetyk molekularny, octan miedzi Cu2(CH3COO)4*2H2O. Jest to magnetyk molekularny złoŜony z dimerów Cu. NaleŜy zmierzyć temperaturową zaleŜność podatności magnetycznej χ(T), np. dla pola H=5000 Oe, w zakresie temperatur od 300 do 5 K. W dostarczonych materiałach znajdują się informacje potrzebne do teoretycznego opisu otrzymanej zaleŜności jak i potrzebne dane o octanie miedzi. NaleŜy dopasować krzywą χ(T), wyznaczyć stałą oddziaływania Cu-Cu oraz czynnik g dla Cu. • Próbka B: nadprzewodnik. Próbką jest ołów (Pb) – nadprzewodnik I rodzaju o temperaturze przejścia poniŜej 10 K. NaleŜy wyznaczyć temperaturę przejścia w stan nadprzewodzący i diagram fazowy (H,T). Próbkę naleŜy przygotować tak by zminimalizować wpływ demagnetyzacji. Diagram (H,T) moŜna wyznaczyć z serii pomiarów ZFC/FC. Wyniki trzeba skonfrontować z teorią nadprzewodnictwa BCS. Próbką moŜe być teŜ niob (Nb) - nadprzewodnik II rodzaju. • Próbka C: ferromagnetyk. NaleŜy zmierzyć: a) temperaturową zaleŜność momentu M(T) w polu np. 1000 Oe, dla temperatur 300-10K. Z tego pomiaru moŜna wyznaczyć stałą Curie, a z niej paramagnetyczny moment atomów oraz temperaturę Curie-Weissa θCW. b) histerezę M(H) poniŜej temperatury Tc. Z tego pomiaru moŜna wyznaczyć moment nasycenia w jednostkach µB/atom i pole koercji. c) krzywe ZFC/FC dla małego pola (10 Oe) i wyznaczyć z nich temperaturę przejścia krytycznego Tc (dla twardych ferromagnetyków). d) zaleŜność M(T) dla małego pola (10 Oe) w sąsiedztwie przejścia fazowego. Z tego pomiaru dla miękkiego ferromagnetyka moŜna dopasować wykładnik krytyczny β dla T<Tc (dla miękkich ferromagnetyków). • Próbka D: antyferromagnetyk. NaleŜy zmierzyć: a) temperaturową zaleŜność momentu M(T) w polu np. 1000 Oe, dla temperatur 300-5K. Z tego pomiaru moŜna wyznaczyć stałą Curie, a z niej paramagnetyczny moment atomów, temperaturę CurieWeissa θCW oraz temperaturę Neela TN. b) zaleŜność TN od pola magnetycznego. Literatura Fundamentals of magnetism and magnetic measurements, M.McElfresh, Purdue Univ. (opis aparatury i kilku prostych przykładów zachowań magnetycznych, ksero w materiałach do wypoŜyczenia) C. Kittel, Wstęp do fizyki ciała stałego O. Kahn, Molecular magnetism (fragmenty dołączone do materiałów, dotyczy próbki A) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/scond.html (dotyczy próbki B) Próbka B, nadprzewodnik I rodzaju, Pb Podstawowe informacje na temat nadprzewodników moŜna znaleźć w C. Kittel, Wstęp do fizyki ciała stałego http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/scond.html Przygotowanie próbki Pb. Próbka powinna mieć jak najbardziej wydłuŜony kształt, po to by zminimalizować wpływ demagnetyzacji. Długość próbki nie powinna przekraczać 5mm. Próbkę o takim kształcie moŜna przygotować z drutu ołowianego 0.5mm lub wyciąć skalpelem z ołowiu. Próbkę naleŜy zwaŜyć i wkleić do rurki, tak by pręcik Pb był ułoŜony wzdłuŜ rurki (wzdłuŜ pola magnetycznego). Klej GE-varnish schnie około 30min, czas ten moŜna skrócić do 5min delikatnie podgrzewając suszarką. Pomiary z Pb. W stanie normalnym sygnał pomiarowy jest znikomy. Dlatego próbkę naleŜy wycentrować w fazie nadprzewodzącej, w polu mniejszym niŜ pole krytyczne (np. w polu H=100 Oe, T=6 K) . Pomiary dobrze zacząć od pola 100 Oe i zakresu temperatur 10–2K. MoŜna uŜyć sekwencji: Następnie dla najniŜszej temperatury (2 K lub 1.8 K) naleŜy zrobić pomiar M(T=const, H) tak, Ŝeby wyznaczyć pole krytyczne Bc(2 K) oraz podatność magn. w fazy nadprzewodzącej. Sekwencja pomiarowa moŜe wyglądać np. tak: Następnie trzeba zaprogramować serię pomiarów ‘field cooling’ dla róŜnych pól H. śeby zoptymalizować czas pomiarów naleŜy narysować teoretyczny diagram HT i zaplanować dla jakich pól i zakresów temperatur wykonać pomiary i napisać odpowiednią sekwencje pomiarową. Otrzymane wyniki naleŜy porównać z przewidywaniami teorii BCS. W szczególność moŜna sprawdzić: Czy jest to idealny diamagnetyk? Czy wyniki tablicowe dla Pb są takie same? Czy jest to nadprzewodnik I czy II rodzaju? Czy krzywa H(T) zgadza się z BCS? Próbka A: octan miedzi. Literatura O. Kahn, Molecular magnetism (potrzebne fragmenty dołączone) Przygotowanie próbki Octan miedzi jest w postaci proszku. Sygnał od tej próbki jest bardzo mały i trzeba tak zamontować próbkę w rurce, Ŝeby zminimalizować sygnał od mocowania próbki. NaleŜy oszacować moment magnetyczny paramagnetycznych spinów miedzi w 300 K w polu 5000 Oe. Mierzony moment próbki nie moŜe przekraczać 1 emu. Najlepiej zrobić pastylkę, o masie około 100mg, o średnicy 5mm. Pastylkarką 5mm naleŜy posługiwać się bardzo ostroŜnie Ŝeby jej nie uszkodzić. Dopuszczalny nacisk prasy dla pastylkarki 5mm wynosi maksymalnie 500 kg. Zrobioną pastylkę moŜna umieścić w odpowiednio ponakłuwanej rurce. Przy czyszczeniu pastylkarki nie moŜna jej skrobać metalowymi narzędziami ani papierem ściernym ! Pomiary NaleŜy zmierzyć temperaturową zaleŜność podatności magnetycznej χ(T), np. dla pola H=5000 Oe, w zakresie temperatur od 300 do 5 K. W dostarczonych materiałach znajdują się informacje potrzebne do teoretycznego opisu otrzymanej zaleŜności jak i potrzebne dane o octanie miedzi. NaleŜy dopasować krzywą χ(T), wyznaczyć stałą oddziaływania Cu-Cu oraz czynnik g dla Cu. Sekwencja pomiarowa moŜe wyglądać np. tak: