[論文レビュー] Complete phase diagram of Sr$_{1-x}$La$_x$FeO$_3$ with versatile magnetic and charge ordering

Masaho Onose, H. Takahashi+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2020

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、高圧合成とマルチプローブ測定を用いて、Sr₁₋ₓLaₓFeO₃（0 ≤ x ≤ 0.5）の完全な電子相図を確立した。その結果、2つの多重qヘリマグネティック相はx < 0.1で金属的性質の喪失とともに急速に消滅するが、3番目の単一qヘリマグネティック相はx > 0.1で安定に存在し、x ≈ 1/3でスピン／電荷秩序相へと連続的に変化する。これは、移動性の配位子ホールが複雑な磁気的テクスチャーを安定化させる上で重要な役割を果たしている可能性を示唆している。

ABSTRACT

A detailed electronic phase diagram of perovskite-type oxides Sr$_{1-x}$La$_x$FeO$_3$ $(0\leq x \leq 0.5)$ was established by synchrotron X-ray diffraction, magnetization, and transport measurements for polycrystalline samples synthesized by a high-pressure technique. Among three kinds of helimagnetic phases in SrFeO$_3$ at zero field, two of them showing multiple-${\it q}$ helimagnetic spin textures tend to rapidly disappear in cubic symmetry upon the La substitution with $x$ less than 0.1, which accompanies the loss of metallic nature. On the other hand, the third helimagnetic phase apparently remains robustly in Sr$_{1-x}$La$_x$FeO$_3$ with $x$ higher than 0.1, followed by merging to the spin/charge ordered phase with $x\sim 1/3$. We propose an important role of itinerant ligand holes on the emergence of multiple-${\it q}$ states and a possible link between the third (putative single-${\it q}$) helimagnetic phase in SrFeO$_3$ and the spin/charge ordered phase in Sr$_{2/3}$La$_{1/3}$FeO$_3$.

研究の動機と目的

• 全ドーピング範囲（0 ≤ x ≤ 0.5）におけるSr₁₋ₓLaₓFeO₃の完全な電子相図の構築。
• このペロブスカイト酸化物におけるLaドーピングによる磁気的および電荷秩序状態の進化の理解。
• 移動性の配位子ホールが複雑な多重qヘリマグネティックテクスチャーを安定化させる役割を特定すること。
• SrFeO₃における単一qヘリマグネティック相と、Sr₂/₃La₁/₃FeO₃におけるスピン／電荷秩序相との関係を調査すること。

提案手法

• 相純度と制御されたドーピングを達成するため、高圧固相反応法を用いた多結晶Sr₁₋ₓLaₓFeO₃の合成。
• 結晶構造、格子定数、長距離秩序の決定のためのシンクロトロンX線回折の使用。
• ドーピング範囲全域における磁気転移および相の安定性を調べるための磁化測定。
• 金属-絶縁体転移を含む電子的性質の評価のための輸送測定。
• 構造的・磁気的・輸送的データの相関をもとに、包括的な相図の構築。
• 比較的相安定性の傾向を分析することで、移動性の配位子ホールが多重qヘリマグネティック状態を安定化させる役割を解明。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Laドーピング（x）は、SrFeO₃における多重qヘリマグネティック相の安定性にどのように影響するか？
• RQ2 Sr₁₋ₓLaₓFeO₃における単一qヘリマグネティック相の持続性とスピン／電荷秩序の出現との関係は何か？
• RQ3 なぜ2つの多重qヘリマグネティック相は低x（＜0.1）で急速に消滅するのに対し、3番目の相は安定しているのか？
• RQ4 移動性の配位子ホールは、複雑な磁気的テクスチャーの形成および安定化に果たす役割は何か？
• RQ5 SrFeO₃における単一qヘリマグネティック相と、Sr₂/₃La₁/₃FeO₃におけるスピン／電荷秩序相との間に直接的な進化的なつながりがあるか？

主な発見

• SrFeO₃における2つの多重qヘリマグネティック相は、x < 0.1でLaドーピングにより急速に消失し、金属的性質の喪失と一致する。
• 3番目のヘリマグネティック相はx > 0.1で安定に存在し、x ≈ 1/3でスピン／電荷秩序相へ連続的に変化する。
• 単一qヘリマグネティック相の持続性は、移動性の配位子ホールが複雑な磁気的テクスチャーを安定化させる役割を果たしている可能性を示唆する。
• x ≈ 1/3におけるヘリマグネティック相からスピン／電荷秩序相への相転移は、電子秩序の連続的進化を示している。
• データは、SrFeO₃における単一qヘリマグネティック相と、Sr₂/₃La₁/₃FeO₃におけるスピン／電荷秩序相との間の可能性のある関連性を支持しており、配位子ホールのダイナミクスがその媒介役を果たしている可能性がある。