[論文レビュー] Ca2Ru1-xCrxO4 (0 < x < 0.13): Negative volume thermal expansion via orbital and magnetic orders

T. F. Qi, O. B. Korneta+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2010

Thermal Expansion and Ionic Conductivity被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、Ca2Ru1-xCrxO4における希薄なCrドーピングが、冷却に伴い二つの明確な急激な格子体積の拡張を引き起こすことを示している。最初の拡張は金属-絶縁体転移（TMI = 210 K）で、二番目の拡張は強磁性転移（TC = 130 K）で発生する。その結果、全体として約1%の負の体積熱膨張（NVTE）が生じる。このNVTEは、軌道秩序、磁気秩序、格子自由度の間の新しい結合に起因し、TMIとTCの間でほぼゼロの熱膨張を示しており、強いインヴァー効果を示している。

ABSTRACT

Ca2RuO4 undergoes a metal-insulator transition at TMI = 357 K, followed by a well-separated transition to antiferromagnetic order at TN = 110 K. Dilute Cr doping for Ru reduces the temperature of the orthorhombic distortion at TMI and induces ferromagnetic behavior at TC. The lattice volume V of Ca2Ru1-xCrxO4 (0 < x < 0.13) abruptly expands with cooling at both TMI and TC, giving rise to a total volume expansion {\Delta}V/V {\simeq} 1 %, which sharply contrasts the smooth temperature dependence of the few known examples of negative volume thermal expansion driven by anharmonic phonon modes. In addition, the near absence of volume thermal expansion between TC and TMI represents an Invar effect. The two phase transitions suggest an exotic ground state driven by an extraordinary coupling between spin, orbit and lattice degrees of freedom.

研究の動機と目的

• Ca2RuO4におけるCrドーピングの構造的・電子的・磁気的転移を調整する役割を調査すること。
• 軌道秩序および磁気秩序がCa2Ru1-xCrxO4における格子体積変化に与える影響を特定すること。
• 本系における負の体積熱膨張（NVTE）の起源を明らかにすること、特に従来の非調和格子振動駆動NVTEとは異なる点に注目すること。
• 観察された二段階NVTEおよびインヴァー様の挙動を引き起こすスピン・軌道・格子自由度の結合の起源を同定すること。

提案手法

• Ca2Ru1-xCrxO4（0 < x < 0.135）の単結晶をフローティングゾーン法を用いて成長させた。
• 90 K から 295 K の温度範囲で、温度依存性単結晶X線回折（XRD）を用いて格子定数および構造的変化を測定した。
• 電気抵抗率および磁化測定をPPMS/MPMSを用いて実施し、TMIおよびTC転移を特定した。
• Cr濃度xの正確な測定にはエネルギー分散型X線（EDX）分析を用いた。
• 構造の精査にはSHELX-97を用い、非等方的吸収および消光補正を施した。
• 相転移は、TMIおよびTCを境にした格子定数および体積変化の不連続性を追跡することで分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CrドーピングはCa2Ru1-xCrxO4における金属-絶縁体転移温度TMIおよび構造的歪みにどのように影響を与えるか？
• RQ2 Ca2Ru1-xCrxO4で観察された二段階の負の体積熱膨張（NVTE）の起源は何か？
• RQ3 TMIとTCの間で格子体積がほぼ一定に保たれるのはなぜか（インヴァー効果を示唆）？
• RQ4 軌道秩序および磁気秩序が格子自由度にどのように結合してNVTEを生じさせるか？
• RQ5 軌道秩序、磁気秩序、斜方歪みが消失する臨界Cr濃度xcrは何か？

主な発見

• Ca2Ru1-xCrxO4（0 < x < 0.13）の格子体積Vは、TMI ≈ 210 Kで約0.66%、TC ≈ 130 Kでさらに0.2%拡張し、295 Kから90 Kに冷却する間に全で約1%の体積拡張が生じる。
• 二段階NVTEは、TMIにおける軌道秩序の発現およびTCにおける磁気秩序の発現と直接関連しており、これらの転移の間には顕著な体積変化が観察されない。
• 90 Kにおける斜方歪み（b–a）は、x = 0のとき0.247 Åからx = 0.135のとき0.018 Åに減少し、Crドーピングに伴いジャン・テラー歪みが抑制されることを示している。
• 臨界Cr濃度xcr ≈ 0.12 ± 0.01は、TMI、磁気秩序、斜方歪みの消失を示しており、相図における三重点を示している。
• TMIとTCの間では格子体積がほぼ一定に保たれ、本研究で初めてこの文脈において強いインヴァー効果が観察された。
• NVTEのメカニズムは、従来の非調和格子振動モデルとは異なり、軌道秩序および磁気秩序を伴う一次および二次相転移に起因する、離散的で明確なプロセスである。