Estudo dos comportamentos anômalos dos espectros de ressonância paramagnética eletrônica de Gd Diluído em Y1−xGdxPb3 e Sm1−xGdxB6 em função da temperatura e da concentração

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo teórico dos espectros de Ressonância Paramagnética Eletrônica (Electron Paramagnetic Resonance - EPR) de dois materiais, cujas propriedades estruturais e eletrônicas ainda são largamente discutidas em meio acadêmico, sendo eles Y1−xGdxPb3 e Sm1−xGdxB6 onde x representa a concentração do elemento de terra rara. Através da análise dos dados experimentais de EPR de Y1−xGdxPb3, avaliamos como as simulações da forma da linha de absorção em baixa temperatura, sugerem que a razão pela qual ocorre a inibição do mecanismo de quebra de pares de Cooper, está relacionada a forma como ocorre a interação de troca entre os momentos localizados de Gd3+ e os elétrons de condução (conduction electrons - ce). Já no estudo de Sm1−xGdxB6 discutimos o comportamento anômalo apresentado pela largura de linha para uma baixa concentração de Gd, assim como a aparente variação da metalicidade das linhas de ressonância em função da temperatura. Todos os espectros de EPR apresentados aqui foram simulados utilizando o modelo de Plefka, em adicção as implementações de P. A. Venegas. Analisamos para cada caso separado, um conjunto distinto de contribuições para o espectro de absorção, visando elucidar a evolução das propriedades eletrônicas, comportamentos da largura de linha, além do colapso do espectro resolvido do Gd3+ sob determinadas situações. No caso do YPb3, a precisa descrição da interação de troca mútua entre os íons de Gadolínio mostrou-se crucial para a compreensão dos resultados que obtivemos. Já no caso de SmB6, uma conjunção entre os efeitos de flutuação de valência com um alargamento inomogêneo do campo cristalino, modelado por uma distribuição Gaussiana do parâmetro b4, mostrou-se fundamental para a precisa descrição dos dados experimentais. Para procurar pelo conjunto de parâmetros que melhor ajusta o espectro teórico ao experimental utilizamos métodos de minimização global meta-heurísticos, o que nos permitiu comparar iterativamente os inúmeros conjuntos de parâmetros utilizados na reprodução dos dados experimentais.

This work presents a theoretical study of the Electron Paramagnetic Resonance (EPR) spectra for two materials, whose structural and electronic properties are still widely discussed in the literature, Y1−xGdxPb3 and Sm1−xGdxB6, with x the Gd3+ concentration. Through the analysis of the experimental EPR data of Y1−xGdxPb3, our simulations of the lineshape indicated the correlation of Cooper's pair-breaking mechanism and the exchange interaction between the Gd3+ localized moments, and the conduction electrons. In the study of Sm1−xGdxB6, we discussed the anomalous behavior presented by the linewidth, for Gd3+ low concentrations. We also discussed the apparent variation in the metallicity of the resonance lines as function of temperature. All EPR spectra were simulated using the Plefka model with P. A. Venegas treatment of valence fluctuation (VF). We analyze, for each case, a distinct set of contributions to the absorption spectrum, aiming to elucidate the evolution of the observed electronic properties and linewidth behaviors. In the case of YPb3, the description of the mutual exchange interaction between Gadolinium ions was crucial for understanding the obtained results. In the case of SmB6, a conjunction between the effects of VF with an inhomogeneous broadening of the crystalline electrical field (CEF), modeled by a Gaussian distribution of the b4 parameter, proved to be fundamental for the accurate description of the experimental data. To search for the set of parameters that best fits the experimental spectrum, we used global meta-heuristic algorithms, which allowed us to iteratively compare the numerous sets of parameters used in the reproduction of experimental data.