Weryfikacja symetrii sieci krystalicznej i magnetycznej wybranych materiałów

Prowadzono badania dyfrakcyjne wybranych tlenków metali przejściowych: M2O3 (z rodziny związków o trygonalnej strukturze korundu), tlenku β-MnO2 i fluorku MnF2 (z rodziny związków o tetragonalnej strukturze rutylu) oraz chromu, tj. metalu o strukturze regularnej typu bcc. Motywacją do podjęcia tych badań były zaobserwowane w literaturze niezgodności między symetrią struktury krystalicznej a symetrią opisującą własności magnetyczne w/w materiałów. W przypadku α-Fe2O3 zaobserwowane uporządkowanie momentów magnetycznych jonów Fe3+ typu antyferromagnetycznego ze słabą składową ferromagnetyczną nie jest dozwolone w symetrii trygonalnej. Dla β-MnO2 występowanie modulowanego uporządkowania momentów magnetycznych jonów Mn4+ typu helisy jest także zabronione w symetrii tetragonalnej. Z kolei w chromie modulowane uporządkowanie momentów magnetycznych typu fali gęstości spinowej jest także zabronione w symetrii regularnej. Badania eksperymentalne w/w materiałów oraz kilku tlenków innych metali, np. Cr2O3, V2O3, Al2O3, Ti2O3, β-PbO2, były prowadzone metodą dyfrakcji rentgenowskiej, dyfrakcji promieniowania synchrotronowego oraz dyfrakcji neutronów termicznych. Badania te prowadzono w szerokim zakresie temperatur zarówno poniżej jak i powyżej temperatury Néela. Badania dyfrakcji prowadzono we współpracy z instytutem ALBA-CELLS w Barcelonie, European Synchrotron Radiation Facility w Grenoble oraz Diamond Light Source w Chilton koło Oxfordu. Z kolei pomiary dyfrakcji neutronów były prowadzone przy reaktorach w Helmholtz-Zentrum Berlin, w Institute Laue Langevin w Grenoble oraz przy źródle spallacyjnym ISIS w Chilton koło Oxfordu. Do opisu symetrii struktur magnetycznych nie-modulowanych zastosowano formalizm magnetycznych grup przestrzennych a dla struktur modulowanych formalizm magnetycznych grup superprzestrzennych. Spolszczony termin grupy superprzestrzenne (z ang. superspace groups) dotyczy opisu trójwymiarowej sieci krystalicznej z dodaniem czwartego wymiaru, a współrzędna w czwartym wymiarze to faza modulacji. Dzięki serii precyzyjnych eksperymentów dla w/w materiałów oraz niestandardowej interpretacji danych w oparciu o formalizm magnetycznych grup przestrzennych i superprzestrzennych wyznaczono podstawowe parametry sieci krystalicznej oraz wybrano grupy magnetyczne opisujące dla kilku substancji symetrię sieci krystalicznej jak i symetrię zjawisk magnetycznych. Dla związków M2O3 typu korundu oraz dla chromu stwierdzono, że optymalna jest symetria jednoskośna, natomiast dla związków MX2 typu rutylu, symetria rombowa.

Diffraction studies of the crystal structure of selected M2O3 oxides (with trigonal corundum-type structure), MO2 oxides (with tetragonal rutile-type structure) and chromium metal (with cubic bcc-type structure) were performed. The motivation for such studies was based on the disagreement between the symmetry of the observed magnetic phenomena and the symmetry assigned to the crystal structure. In α-Fe2O3 the antiferromagnetic ordering of Fe3+ magnetic moments with weak ferromagnetic contributions is forbidden in trigonal symmetry. For β-MnO2 the observed helical type modulated magnetic ordering of Mn4+ magnetic moments is also forbidden in tetragonal symmetry. The spin density wave ordering observed in chromium is not permitted in cubic symmetry. Experimental studies of the aforementioned materials together with some other oxides, e.g. Cr2O3, V2O3, Al2O3, Ti2O3, β-PbO2, were done by using X-ray diffraction, synchrotron radiation diffraction and thermal neutron scattering. Measurements were perofrmed at different temperatures, both below and above the Néel temperature. Synchrotron radiation diffraction studies were done by using beamlines at ALBA-CELLS in Barcelona, the European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble and the Diamond Light Source in Chilton near Oxford. Neutron diffraction studies were performed at the reactor sources in Helmholtz-Zentrum Berlin and the Institut Laue Langevin in Grenoble as well as the spallation neutron source ISIS in Chilton near Oxford. The description of non-modulated and modulated magnetic structures was done by using the formalism of magnetic space groups and superspace groups, respectively. The expression superspace groups is related to a four dimensional description of a three dimensional lattice with the modulation phase assigned to the coordinate along the fourth dimension. A set of precise diffraction experiments together with non-standard analysis procedures provided information about the lattice parameters of the materials under study. The analysis based on the magnetic space groups and magnetic superspace groups provided a unified description with one common symmetry group for both magnetic phenomena and the crystal structure. For corundum-type M2O3 oxides and for chromium the optimal symmetry is monoclinic, while for rutile-type MO2 compounds the optimal symmetry is orthorhombic.