[論文レビュー] Formation of short-range magnetic order and avoided ferromagnetic quantum criticality in pressurized LaCrGe$_3$

Elena Gati, John M. Wilde+12 more|Iowa State University Digital Repository (Iowa State University)|Nov 9, 2020

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

ひとこと要約

本研究では、多様な実験手法を用いて、圧力下におけるLaCrGe₃の強磁性量子臨界性の抑制を調査し、約1.5 GPaで一次転移が観測され、その上での短距離磁気秩序の出現が明らかになった。長距離反強磁性秩序ではなく、短距離磁気秩序が顕在する。この結果は、回避された量子臨界点近くのクリーンで弱い不純物を有する拡散的強磁性体をつなぐレアな系であるLaCrGe₃の位置づけを示している。

ABSTRACT

LaCrGe$_3$ has attracted attention as a paradigm example of the avoidance of ferromagnetic (FM) quantum criticality in an itinerant magnet. By combining thermodynamic, transport, x-ray and neutron scattering as well as $μ$SR measurements, we refined the temperature-pressure phase diagram of LaCrGe$_3$. We provide thermodynamic evidence (i) for the first-order character of the FM transition when it is suppressed to low temperatures and (ii) for the formation of new phases at high pressures. From our microscopic data, we infer that short-range FM ordered clusters exist in these high-pressure phases. These results suggest that LaCrGe$_3$ is a rare example, which fills the gap between the two extreme limits of avoided FM quantum criticality in clean and strongly disordered metals.

研究の動機と目的

• 高圧下におけるLaCrGe₃の磁気転移の性質、特に回避された強磁性量子臨界点近くの性質を解明すること。
• 高圧相において長距離反強磁性秩序が支配するか、あるいは短距離磁気相関が支配するかを特定すること。
• 弱い不純物および競合するFM/AFM相互作用が、回避された量子臨界点近くでの短距離秩序の安定化に果たす役割を評価すること。
• 熱力学的、輸送的、および微視的プローブを用いて、LaCrGe₃の温度-圧力相図を精緻化すること。

提案手法

• 相転移および異常を検出するために、高圧下での抵抗率測定、比熱測定、熱膨張測定を実施した。
• 格子定数および磁気ブラッグピーク強度の変化をモニタリングするため、X線および中性子回折を実施した。
• 局所磁場をプローブするため、ミュオンスピン回転（µSR）を用い、長距離秩序と短距離秩序を区別した。
• 臨界定常状態および相転移を特定するため、熱力学量の異常寄与（ΔC/T、Δα）を分析した。
• 磁気秩序に敏感な(1 0 0)ブラッグピーク強度の進化を追跡するために、中性子散乱を用いた。
• 複数の手法のデータを統合し、包括的な温度-圧力相図を構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧力が強磁性転移を低温側に抑制する中で、LaCrGe₃における磁気転移の性質は何か？
• RQ2 LaCrGe₃の高圧相は、長距離反強磁性秩序を示すか、あるいは短距離磁気相関を示すか？
• RQ3 約1.5 GPaで二次転移から一次転移に移行することは、クリーンな拡散的強磁性体における回避された量子臨界性の兆候と見なせるか？
• RQ4 弱い不純物または競合する相互作用が、回避された量子臨界点近くでの短距離磁気秩序形成にどの程度寄与するか？
• RQ5 格子歪みおよび体積変化は、圧力下での新規磁気相の出現とどのように相関するか？

主な発見

• LaCrGe₃の強磁性転移は、約1.5 GPaの三重点で一次転移に変わることで、回避された強磁性量子臨界性の熱力学的証拠が得られた。
• 高圧（約1.9 GPa）において、T₁およびT₂の二つの顕著な異常が出現し、一次転移線の上に新たな磁気相の形成を示している。
• T₁未満では、磁気的体積分率が強く温度依存的であるため、長距離秩序ではなく動的短距離磁気秩序が支配していることが示された。
• T₂ < T₁の領域でも、残留磁化が観測されたため、長距離反強磁性秩序が存在しないことが確認され、短距離FMクラスタリングの存在を支持する。
• T₁およびT₂を越えて、顕著な格子対称性の変化は観測されず、強い格子結合を伴うスピンネマチック相の可能性は排除された。
• これらの結果は、LaCrGe₃が、回避された量子臨界点近くのクリーンな拡散的強磁性体として、短距離磁気秩序を示す稀な系である可能性を示唆している。