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: