Numéro
J. Phys. France
Volume 25, Numéro 5, mai 1964
Page(s) 528 - 536
DOI https://doi.org/10.1051/jphys:01964002505052801
J. Phys. France 25, 528-536 (1964)
DOI: 10.1051/jphys:01964002505052801

Ferrimagnetic spiral configurations in cobalt chromite

N. Menyuk, K. Dwight et A. Wold

Lincoln Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, Lexington 73, Massachusetts, U. S. A.


Abstract
Cobalt chromite, CoCr2O4, is a cubic spinel which is ferrimagnetic at low temperatures with a Curie point Tc ≈ 97 °K. The room temperature powder diffraction pattern on this material, corrected for temperature effects, shows that it is a normal spinel with an oxygen parameter equal to 0.38707 :f: .00005. At 4.2 °K there are, in addition to the magnetic contributions to the fundamental spinel peaks, a large number of magnetic 11 satellite " peaks. All of the additional peaks can be indexed on the basis of the ferrimagnetic spiral model proposed for normal cubic spinels by Lyons, Kaplan, Dwight and Menyuk, in which the spiraling components of the spins are defined by a single k vector along a face diagonal. The experimental magnitude of |k| is approximately 5 % greater than theoretically predicted. The neutron diffraction pattern predicted on the basis of the spiral model is completely determined upon fixing the exchange ratio JBB/J AB and the cone axis direction. Taking JBB /J AB = 1. 5 on the basis of magnetization measurements previously reported, it is found that the intensities of the various peaks are in excellent agreement with the intensities predicted by the spiral model with the cone axis along an [001] direction. The ferrimagnetic spiral configuration is known to become unstable relative to small deviations for JBB SB /JAB S A > 0.98 (i.e. JBB/JAB > 0.98 in CoCr2O4). However, our results indicate that the true configuration closely approximates that predicted by the model over a range of exchange interaction ratios which extends well beyond the onset of local instability. Upon increasing the temperature above 4,2 °K, the satellite peaks disappeared between 25 °K and 35 °K, apparently degenerating into a broad plateau observed at 50 °K and 77 °K. Despite this disappearance, a self-consistent fit to neither the magnetic contributions to the fundamental peaks nor the observed thermal variation of the magnetization can be obtained from a collinear model. However, the predicted values based on a molecular field treatment of the spiral model are in good agreement with these measurements. These results further corroborate the validity of the spiral model for CoCr2O4, and indicate that the molecular field approximation accurately describes the axial component throughout its ferrimagnetic range, but not the azimuthal component.


Résumé
Le chromite de cobalt CoCr2O4 est un spinelle cubique ferrimagnetique aux basses temperatures avec une temperature de Curie Tc ≈ 97 °K. Un diagramme de poudre à l'ambiante, corrigé des effets de temperature, montre qu'il s'agit d'un spinelle normal avec un paramètre d'oxygène égal à 0,38707 ± 0,00005. A 4,2 °K il y a, en plus des contributions magnétiques dans les raies fondamentales, un grand nombre de satellites magnétiques. Toutes ces raies additionnelles peuvent être indexées sur la base du modèle de la spirale magnétique, proposée par Lyons, Kaplan, Dwight et Menyuk dans lequel les composantes en spirale des spins sont définies par un vecteur unique k dirigé selon la diagonale d'une face du cube. La valeur expérimentale de |k| est d'approximativement 5 % plus grande que prévue par la théorie. Le diagramme neutronique se trouve complètement déterminé dans cette théorie par la donnée du rapport J AB/JBB et de la direction de l'axe du cone. Prenant JBB/JAB = 1,5 grace à des mesures d'aimantation publiees antérieurement, les intensités des satellites sont trouvées être en excellent accord avec les intensités prévues par le modèle de la spirale ferrimagnetique, l'axe du cone étant selon [001]. On sait que la configuration de spirale ferrimagnétique devient instable pour JBB SB/JAB SA > 0,98 (c'est-à-dire pour JBB/JAB > 0,98 dans CoCr2O 4). Notre résultat indique cependant que la configuration réelle est encore stable dans un domaine de rapports d'intégrales d'échange bien au-delà du début d'instabilité locale. En chauffant au-dessus de 4,2 °K, les raies satellites disparaissent entre 25 °K et 35 °K, pour finalement dégénérer en une bande large observée à 50 °K et 70 °K. Malgré cette disparition, il n'est possible, à partir du modèle collinéaire d'obtenir un accord, ni pour les contributions magnétiques aux raies fondamentales, ni pour la variation thermique observée de l'aimantation. Par contre, les valeurs prévues par la théorie du champ moléculaire appliquée au modèle de spirale ferrimagnétique sont en bon accord avec les mesures expérimentales. Ces résultats corroborent la validité du modèle proposé pour CoCr2O 4, et indiquent que l'approximation du champ moléculaire décrit fidèlement, dans le domaine ferrimagnétique, l'évolution de la composante axiale, mais non celui de la composante azimutale.

PACS
7550G - Ferrimagnetics.
6112L - Neutron diffraction.

Key words
cobalt compounds -- ferrimagnetic materials -- neutron diffraction