[論文レビュー] Checkerboard to Stripe Charge Ordering Transition in TbBaFe2O5

D. K. Pratt, Sung‐A Chang+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2012

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、TbBaFe2O5において、競合するサイト間クーロン相互作用と軌道秩序が駆動する、チェッカーボードからストライプ型電荷秩序状態への非常にまれな一次転移が明らかにされた。中性子線およびX線回折により、291 Kから308 Kの間でチェッカーボード相が存在し、Fe2+/Fe3+の交互配置によって安定化されていることが示された。一方、291 K未満のストライプ秩序は軌道局在に起因し、磁気モードτ* = (0,0,1/2)がチェッカーボード状態を確認している。

ABSTRACT

A combined neutron and x-ray diffraction study of TbBaFe2O5 reveals a rare checkerboard to charge ordering transition. TbBaFe2O5 is a mixed valent compound where Fe2+/Fe3+ ions are known to arrange into a stripe charge-ordered state below TV = 291 K, that consists of alternating Fe2+/Fe3+ stripes in the basal plane running along the b direction. Our measurements reveal that the stripe charge-ordering is preceded by a checkerboard charge-ordered phase between TV < T < T* = 308 K. The checkerboard ordering is stabilized by inter-site coulomb interactions which give way to a stripe state stabilized by orbital ordering.

研究の動機と目的

• TbBaFe2O5におけるヴェルベー転移の前触れとなる転移の性質を解明すること。
• T_V = 291 K から T* = 308 K の間の相が真の電荷秩序状態であるか、あるいは臨界臨界ゆらぎであるかを特定すること。
• TbBaFe2O5における電荷秩序構造と、それらが軌道秩序および磁気秩序とどのように関係するかを同定すること。
• 2つの異なる電荷秩序相の間の遷移を引き起こすメカニズムを明確にすること。

提案手法

• 中性子回折を用いて、磁気構造および電荷秩序波数を調査し、特にτ* = (0,0,1/2)における磁気モードを分析した。
• X線回折を用いて、電荷秩序波数を検出し、チェッカーボードおよびストライプ状態の存在を確認した。
• 温度依存の比熱、抵抗率、磁化測定を用いて、相転移を特定し、構造的および電子的変化と相関づけた。
• TbBaFe2O5の単結晶を浮ききりゾーン法で成長させ、化学 stoichiometric 組成（x = 0）を達成するためアニール処理を行った。
• q_stripe = (1/2,0,1) および q_checker = (1/2,1/2,1) における散乱強度の分析により、2つの電荷秩序相を区別した。
• アンダーソンの条件および軌道占有状態（d_xz 対 d_x2-y2）に基づく理論的モデルを用いて、チェッカーボード秩序とストライプ秩序の安定性を解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 T_V = 291 K から T* = 308 K の間の相は、真の電荷秩序状態であるか、それとも前触れのゆらぎであるか？
• RQ2 T_V < T < T* 階殻における電荷秩序構造の性質は何か？ また、T_V未満のストライプ秩序状態とはどのように異なるか？
• RQ3 軌道秩序は、チェッカーボード秩序とストライプ秩序の間の遷移にどのように寄与するか？
• RQ4 τ* = (0,0,1/2) における磁気モードは、チェッカーボード電荷秩序を確認するために果たす役割は何か？
• RQ5 T_V = 291 K で観察されるチェッカーボードからストライプ秩序への一次転移を引き起こす要因は何か？

主な発見

• T_V = 291 K から T* = 308 K の間でチェッカーボード電荷秩序相が存在し、中性子線およびX線回折において波数 q_checker = (1/2,1/2,1) の出現により確認された。
• T_V < T < T* 階殻で τ* = (0,0,1/2) における磁気モードが観察され、チェッカーボード電荷秩序の直接的証拠が得られた。
• T_V = 291 K におけるヴェルベー転移は、Fe2+イオンにおける d_xz 軌道の軌道秩序によって駆動される、チェッカーボードからストライプ秩序への一次転移である。
• T_V 未満のストライプ秩序相では、q_stripe = (1/2,0,1) および τ_G1 = (1/2,1/2,1) における磁気構造が観察され、磁気秩序の変化が示された。
• チェッカーボード相はサイト間クーロン相互作用によって安定化されるが、ストライプ相は軌道局在および歪みの最小化によって好まれる。
• 2つの電荷秩序相の間の遷移は非常にまれであり、クーロン相互作用と軌道秩序の競合によって駆動されるが、前触れのゆらぎによるものではない。