[論文レビュー] Effect of uniaxial strain on the structural and magnetic phase transitions in BaFe$_2$As$_2$

Chetan Dhital, Z. Yamani+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2011

Magnetic Properties of Alloys被引用数 7

ひとこと要約

本研究では中性子散乱を用いて、BaFe₂As₂のb軸に沿った一軸圧縮ひずみが、構造転移温度（T_S）および反強磁性転移温度（T_AF）を著しくシフトおよび拡張することを示した。ひずみ下でT_Sは約135 Kから約155 Kに、T_AFは約115 Kから約145 Kに上昇した。結果から、ひずみ誘起のデュアルニングが長距離磁気秩序を高温度で安定化させることを示し、名目上のT_Sより高い温度で観察される面内輸送異方性が、ひずみ下で再正規化された磁気的および構造的秩序パラメータに起因するものであり、内在的ネマチックゆらぎのみに起因するものではないことが示唆された。

ABSTRACT

We report neutron scattering experiments probing the influence of uniaxial strain on both the magnetic and structural order parameters in the parent iron pnictide compound, BaFe$_2$As$_2$. Our data show that modest strain fields along the in-plane orthorhombic b-axis can affect significant changes in phase behavior simultaneous to the removal of structural twinning effects. As a result, we demonstrate in BaFe$_2$As$_2$ samples detwinned via uniaxial strain that the in-plane C$_4$ symmetry is broken by extit{both} the structural lattice distortion extit{and} long-range spin ordering at temperatures far above the nominal (strain-free), phase transition temperatures. Surprising changes in the magnetic order parameter of this system under relatively small strain fields also suggest the inherent presence of magnetic domains fluctuating above the strain-free ordering temperature in this material.

研究の動機と目的

• 母体鉄ヒ素化物BaFe₂As₂における一軸ひずみが構造的および磁気的転移温度に与える影響を調査すること。
• 名目上のT_Sより高い温度で観察されるひずみ誘起面内輸送異方性が、内在的ネマチック秩序に起因するのか、それとも転移温度のシフトに起因するのかを特定すること。
• ひずみがデュアルニングを引き起こす役割と、長距離反強磁性秩序および構造的秩序の開始に与える影響を明確にすること。
• ひずみ誘起のフラクチュエーティング磁気ドメインの安定化と、磁気秩序に直接作用するスピン-格子結合効果の違いを区別すること。

提案手法

• 中性子散乱実験は、HFIRおよびチャールク・リバーのHB-1AおよびN5三軸分光計を用いて、体積的磁気的および構造的応答を測定した。
• ベルビルワッシャーを用いて力のモニタリングを実施する圧力クラampedを用いて、面内正方晶のb軸に沿った一軸圧縮ひずみを印加した。
• 構造的転移温度T_Sを抽出するために、(2,0,0)構造反射を通した径方向スキャンを実施し、ガウスフィッティングを用いた。
• 磁気的秩序パラメータは(1,0,1)反射から抽出し、平均場フィットM² = A(1 - T/T_AF)を用いてT_AFの開始温度を特定した。
• ひずみを約1 MPaまで段階的に増加させ、全温度範囲でデータを収集し、転移の拡張を観察した。
• 磁気テールに影響を与える欠陥効果を除外するため、別途真空アニール処理を施した試料も測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 b軸に沿った一軸ひずみが、BaFe₂As₂における構造的転移の開始温度T_Sにどのように影響を与えるか？
• RQ2 ひずみの適用により、長距離反強磁性秩序の開始温度T_AFが、ひずみなし状態の値を上回るようになるか。もしそうなるとすれば、その理由は何か？
• RQ3 デュアルニングしたBaFe₂As₂で観察される面内輸送異方性の程度が、ひずみ下で再正規化されたT_SおよびT_AFに起因するものであり、内在的ネマチック秩序に起因するものではないとすれば、その程度はどの程度か？
• RQ4 ひずみ下で強化された磁気的秩序パラメータは、フラクチュエーティング磁気ドメインの安定化によるものか、それとも直接的なスピン-格子結合効果によるものか？
• RQ5 高ひずみ場ではT_SとT_AFが分離するか。これは、ひずみ状態で両者の近接した転移が崩れていることを示唆するか？

主な発見

• b軸に沿った一軸圧縮ひずみを印加することで、ひずみなし状態のBaFe₂As₂では約135 Kであった構造的転移温度T_Sが、1 MPaを超える圧力下で約155 Kに上昇した。
• 反強磁性秩序の開始温度T_AFは、ひずみなしBaFe₂As₂で約115 Kであったのを、高ひずみ下で約145 Kに上昇させた。これは磁気的転移温度の顕著なシフトを示している。
• T_SおよびT_AFの両方がひずみ下で拡張し、急激な一次転移ではなく、なめらかで二次転移に類似した挙動に変化した。
• 高ひずみ（>1 MPa）下では、磁気的秩序パラメータが完全に埋められ、明確な拡張したテールと体積的開始との区別がつかなくなった。これは磁気秩序の完全な安定化を示唆している。
• ひずみ下で強化された磁気テールは欠陥によるものではなく、真空アニール処理を施した試料では同様の変化が観察されなかった。これは、ひずみ誘起の磁気ドメインの安定化が主なメカニズムであることを示している。
• 結果から、デュアルニングしたBaFe₂As₂で名目上のT_Sより高い温度で観察される面内輸送異方性は、主にひずみ下で再正規化された磁気的および構造的相転移に起因するものであり、内在的ネマチック秩序に起因するものではないことが示唆された。