Propriedades magn´eticas do GdFe 0.5 Al 0.5 O 3

A an´alise do comportamento magn´etico da amostra GdFe0.5Al0.5O3foi efetuada a partir de

medidas de magnetizac¸˜ao em func¸˜ao da temperatura e do campo.

A Figura 5.66 apresenta o comportamento ZFC da magnetizac¸˜ao no intervalo de tempera- tura entre 2 K e 380 K.

Figura 5.66: M/H × T ZFC,FCC e FCW para amostra GdFe0.5Al0.5O3 com campo magn´etico de 40

Oe: Inset: Curva H/M vs T .

Em medidas efetuadas a campos de 40 Oe a magnetizac¸˜ao apresenta comportamento diver- sificado em relac¸˜ao `as curvas ZFC and FC. Acima de 300 K magnetizac¸˜ao ZFC e FC apresenta comportamento e valores aproximados. Ainda nas proximidades de 380 K a curva parece iniciar um comportamento linear. Contudo, a mudanc¸a de deflex˜ao e a diferenc¸a do comportamento entre as curvas ZFC e FC nesta faixa de temperatura indica que o sistema ainda experimenta ordenamento magn´etico. Com base nestas medidas, n˜ao ´e poss´ıvel determinar a temperatura de transic¸˜ao para-antiferromagn´etica, entretanto, a tendˆencia linear pode sugerir que a temperatura de transic¸˜ao n˜ao est´a muito acima de 400 K. Esta hip´otese leva em considerac¸˜ao os efeitos de diluic¸˜ao dos ´ıons Al3+ao substitu´ırem os ´ıons magn´eticos Fe3+resultando em enfraquecimento

5.3 Propriedades Magn´eticas 114

do campo molecular m´edio e consequentemente reduc¸˜ao da temperatura cr´ıtica.

Segundo pesquisas em amostras n˜ao dopadas GdFeO3, a transic¸˜ao de N´eel ocorre acima

da temperatura ambiente com valores em torno de 650 K (Ding et al. 2010, Parida, Rak- shit e Singh 2008). Abaixo desta temperatura, os momentos formam uma estrutura antiferro- magn´etica com um pequeno desvio do antiferromagnetismo colinear, devido `a ac¸˜ao da interac¸˜ao de troca assim´etrica na subrede do Fe3+. Ao mesmo tempo em que Fe3+ apresenta antiferro- magnetismo fraco, os momentos do Gd formam uma subrede paramagn´etica9_.

As medidas ZFC obtidas para o composto GdFe0.5Al0.5O3 apresentam o comportamento

encontrado em amostras GdFeO3. Em geral, a ortoferrita de gadol´ınio tem a magnetizac¸˜ao

definida pelo comportamento ferromagn´etico fraco em junc¸˜ao com a contribuic¸˜ao paramagn´etica do Gd3+. Desta forma, a magnetizac¸˜ao se intensifica em func¸˜ao da reduc¸˜ao da temperatura, em especial em baixa temperatura, onde o momento magn´etico contribui mais intensamente, au- mentando a magnetizac¸˜ao com caracter´ısticas semelhantes `as curvas paramagn´eticas.

Tanto em monocristais, como em amostras policristalinas de GdFeO3 o comportamento das

curvas ZFC e FC, para estas amostras s˜ao semelhantes `a curva ZFC para o GdFe0.5Al0.5O3, com

o diferencial do GdFe0.5Al0.5O3 apresentar reduc¸˜ao da magnetizac¸˜ao na regi˜ao ordenada de-

vido `a inserc¸˜ao de Al3+. Tamb´em n˜ao observamos na magnetizac¸˜ao ZFC mudanc¸as que possam ser associadas `a reorientac¸˜ao de spin, como ocorre em amostras isoestruturais DyFe0.5Al0.5O3

ou DyFe0.5Mn0.5O3 . Este fato n˜ao ´e surpreendente, uma vez que a reorientac¸˜ao de spin em

ortoferritas ´e dependente da anisotropia da terra rara, envolvida de forma que, com a adic¸˜ao das competic¸˜oes entre interac¸˜oes, promova a mudanc¸a de eixo de magnetizac¸˜ao f´acil. O Gd3+, por outro lado, exibe propriedades magn´eticas isotr´opicas de maneira que inibe a reorientac¸˜ao de spin, fazendo-a ausente em amostras GdFeO3 (Parida, Rakshit e Singh 2008). De fato, ex-

perimentos de ressonˆancia antiferromagn´etica em GdFeO3 dopadas 10% de Al n˜ao detectaram

reorientac¸˜ao de spin (Mukhin et al. 1995). De outra maneira, medidas efetuadas em altos cam- pos apresentam evidˆencias que h´a uma reorientac¸˜ao de spin do GdFeO3 em baixa temperatura

devido aos efeitos do campo magn´etico externo, delineando o GdFeO3 como um sistema que

apresenta reorientac¸˜ao de spin induzida por campo (Wu et al. 2014).

Seguindo a descric¸˜ao do comportamento magn´etico do GdFe0.5Al0.5O3 com resfriamento

sob campo magn´etico, observamos forte variac¸˜ao em func¸˜ao da temperatura, como tamb´em em comparac¸˜ao com a curva ZFC.

Como dito anteriormente, as curvas ZFC e FC apresentam valores semelhantes em alta tem-

9_{Apesar de existir um campo efetivo do Fe sobre o Gd, formando uma interac¸˜ao fraca Gd–Fe, percept´ıvel em}

5.3 Propriedades Magn´eticas 115

peratura. Contudo as curvas FC fornecem valores de magnetizac¸˜ao mais intenso `a medida que a temperatura ´e reduzida at´e alcanc¸ar o m´aximo em 92 K voltando a reduzir em temperaturas abaixo desta.

O fato not´avel na magnetizac¸˜ao FCW (FCC) do GdFe0.5Al0.5O3´e a invers˜ao da magnetizac¸˜ao

abaixo de 17 K. Esta temperatura de compensac¸˜ao delineia o ponto em que a resultante dos mo- mentos magn´eticos gerado pelos ´ıons Gd3+s˜ao compensados com a contribuic¸˜ao da subrede do Fe3+ orientada em sentido contr´ario.

´

E poss´ıvel conjecturarmos que o esfriamento polarizado com o campo favorece a orientac¸˜ao paralela da componente ferromagn´etica fraca da subrede do Fe na direc¸˜ao do campo. Assim, `a medida que a temperatura ´e reduzida, a componente ferromagn´etica fraca se intensifica. Con- tudo, ´e frequente em ortoferritas a terra rara magn´etica orientar-se em um campo de troca cuja resultante favorece alinhamento antiparalelo com a componente da subrede do Fe (Yamaguchi 1974). Desta forma, ´e poss´ıvel que, abaixo de 92 K, o aumento da contribuic¸˜ao da terra rara em junc¸˜ao com seu acoplamento antiparalelo com a subrede do Fe, a orientar-se de maneira antiparalela com o campo. Abaixo de 17 K , a contribuic¸˜ao do Gd sobrep˜oe `a componente ferromagn´etica fraca, resultando em magnetizac¸˜ao negativa.

A inexistˆencia de magnetizac¸˜ao negativa em monocristais de GdFeO3parece indicar que as

vacˆancias magn´eticas s˜ao importantes n˜ao somente para reduc¸˜ao da magnetizac¸˜ao por diluic¸˜ao, mas tamb´em perturbam equil´ıbrio complexo entre as interac¸˜oes dos ´ıons magn´eticos. De fato, cada substituic¸˜ao de Fe por Al produz uma descompensac¸˜ao de campo, sobre a terra rara, en- volvendo quatro Fe3+. Este fator induz complexidade adicional de maneira que o conte´udo de Al3+ em GdFe0.5Al0.5O3 perturba o estado fundamental promovendo a formac¸˜ao de invers˜ao

magn´etica. Medidas de magnetizac¸˜ao foram obtidas em campos mais intensos em func¸˜ao da temperatura como apresentada na Figura 5.67.

As curvas ZFC e FC medidas sob 100 Oe reproduzem o comportamento qualitativo ob- servado nas curvas ZFC e FC obtidas a 40 Oe. Desta forma, elas apresentam aumento da magnetizac¸˜ao devido ao ferromagnetismo fraco e `a contribuic¸˜ao paramagn´etica.

Observamos tamb´em que as curvas M/H apresentam valores menores para curvas com campo de 100 Oe do que para 40 Oe. A reduc¸˜ao da raz˜ao ´e relativa `a n˜ao linearidade do sistema.

Em baixos campos, a fase ordenada da subrede do Fe3+ _{contribui mais efetivamente que}

em altos campos em que a contribuic¸˜ao da terra rara ´e mais evidente. Esta caracter´ıstica pode ser observada na curva H/M para magnetizac¸˜ao FCC obtida em 10 kOe. A curva apresenta

5.3 Propriedades Magn´eticas 116

Figura 5.67: M/H × T para amostra GdFe0.5Al0.5O3em campos H acima de 40 Oe. Inset: Curv H/M

× T para H = 10 kOe.

um comportamento quase linear, corroborando com a hip´otese que em altos campos o sinal magn´etico proveniente da terra rara ´e dominante.

Ainda estudando as curvas em baixo campo, observamos que o efeito de invers˜ao magn´etica ´e observ´avel com campo de 100 Oe, `a semelhanc¸a da medida FC obtida a 40 Oe. Contudo, a temperatura de compensac¸˜ao ´e reduzida de 17 K para 9.10 K. Este comportamento sugere que campos magn´eticos mais intensos favorece a componente ferromagn´etica fraca de maneira que somente em temperaturas mais baixas o sistema consegue inverter a magnetizac¸˜ao. A tendˆencia de reduc¸˜ao da temperatura de magnetizac¸˜ao de compensac¸˜ao tamb´em foi observada na amostra NdFe0.5Al0.5O3 como apresentado anteriormente.

Campos mais intensos, acima de um campo cr´ıtico, sobrep˜oem a economia de energia pro- duzida pela orientac¸˜ao antiparalela, de maneira que ´e favor´avel orientar tanto a componente ferromagn´etica fraca, como tamb´em a componente da terra rara paralelo com o campo; in- ibindo a invers˜ao magn´etica. As medidas de magnetizac¸˜ao em func¸˜ao do campo magn´etico podem ser observadas na Figura 5.68

Em temperatura ambiente a magnetizac¸˜ao segue um comportamento quase linear com o campo magn´etico, mas apresentando uma pequena irreversibilidade em baixos campos e ex-

5.3 Propriedades Magn´eticas 117 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 2 K 5 K 17 K 93 K 300 K M ( / f . u . ) H(kOe) -3 -2 -1 0 1 2 3 -0.08 -0.04 0.00 0.04 0.08 0.12 M ( B /f . u . ) H(kOe)

Figura 5.68: M × H para amostra GdFe0.5Al0.5O3nas temperaturas 2 K,5 K,17 K,93 K,300 K.

ibindo uma magnetizac¸˜ao remanente em torno de 5.92 × 10−4 µB/f.u. e campo coercitivo em

torno de 100 Oe. A irreversibilidade ´e resultado do ferromagnetismo fraco j´a presente em 300 K.

Em 93 K, a magnetizac¸˜ao apresenta valores mais intensos contendo de maneira mais desta- cada a irreversibilidade com campos coercitivos em torno de 8.9 × 10−3 µB/f.u. e campo co-

ercitivo 500 Oe. O valor de magnetizac¸˜ao remanente ´e cerca uma ordem mais intensa que a obtida em 300 K e trˆes vezes mais duro que o campo coercitivo obtido em temperatura ambi- ente. O aumento destes valores ´e reflexo do aumento da contribuic¸˜ao ferromagn´etica fraca nesta temperatura.

Seguindo o comportamento antiferromagn´etico, a curva MxH em 17 K n˜ao apresenta irre- versibilidade em baixo campo e alcanc¸a valores em torno de 4 µB em campos altos como 70

kOe. Em 5 K, notavelmente, a curva apresenta maiores valores de magnetizac¸˜ao, de maneira que em 70 kOe a magnetizac¸˜ao ´e em torno de 5.2 µB/f.u. Este valor indica que os momentos

do Gd que contribui com cerca de 8 µBn˜ao est˜ao completamente alinhados, e, portanto, n˜ao ´e

5.3 Propriedades Magn´eticas 118

Notavelmente, as medidas de magnetizac¸˜ao em func¸˜ao do campo magn´etico em 2 K para o GdFe0.5Al0.5O3 indicam mudanc¸a de tendˆencia de crescimento, apresentando reduc¸˜ao em

comparac¸˜ao com a medida obtida a 5 K. Este resultado pode sugerir que em 2 K, a terra rara possa estar ordenada antiferromagneticamente, reduzindo assim os valores da magnetizac¸˜ao. Esta reduc¸˜ao tamb´em foi observada em medidas de magnetizac¸˜ao em func¸˜ao da temperatura com campos de 10 kOe.