[論文レビュー] From valence fluctuations to long-range magnetic order in EuPd$_2$(Si$_{1-x}$Ge$_x$)$_2$ single crystals

Ian Marius Peters, Kristin Kliemt+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2023

Rare-earth and actinide compounds被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、EuPd₂(Si₁₋ₓGeₓ)₂系におけるCzochralski法を用いた単結晶成長に成功し、x ≈ 0.10で価数フラクチュエーションから長距離反強磁性秩序への鋭い転移を示した。この転移は、価数クロスオーバー温度が約160 Kから約60 Kに低下し、c軸に垂直な簡単平面上の磁気的異方性が現れることで特徴づけられ、価数フラクチュエーション中に1.8%の格子定数変化を伴う。これは強い電子的-格子結合を示唆している。

ABSTRACT

EuPd$_2$Si$_2$ is a valence-fluctuating system undergoing a temperature-induced valence crossover at $T'_V\approx160\,$K. We present the successful single crystal growth using the Czochralski method for the substitution series EuPd$_2$(Si$_{1-x}$Ge$_x$)$_2$, with substitution levels $x\leq 0.15$. A careful determination of the germanium content revealed that only half of the nominal concentration is build into the crystal structure. From thermodynamic measurements it is established that $T'_V$ is strongly suppressed for small substitution levels and antiferromagnetic order from stable divalent europium emerges for $x\gtrsim 0.10$. The valence transition is accompanied by a pronounced change of the lattice parameter $a$ of order 1.8%. In the antiferromagnetically ordered state below $T_N = 47$ K, we find sizeable magnetic anisotropy with an easy plane perpendicular to the crystallographic c direction. An entropy analysis revealed that no valence fluctuations are present for the magnetically ordered materials. Combining the obtained thermodynamic and structural data, we construct a concentration-temperature phase diagram demonstrating a rather abrupt change from a valence-fluctuating to a magnetically-ordered state in EuPd$_2$(Si$_{1-x}$Ge$_x$)$_2$.

研究の動機と目的

• 高品質な単結晶をCzochralski法を用いてEuPd₂(Si₁₋ₓGeₓ)₂から成長させ、正確な熱力学的および構造的分析を実施すること。
• Ge置換度（x）の関数としての価数フラクチュエーションと磁気的秩序の進化を調査すること。
• 系が価数フラクチュエーティング状態から長距離反強磁性秩序状態に転移する臨界濃度x_cを特定すること。
• 格子定数とエントロピー変化が、価数フラクチュエーティング状態と磁気的秩序状態を区別する上で果たす役割を特定すること。
• 本系が臨界エンドポイント付近の量子臨界性および臨界弾性のプローブとしての可能性を評価すること。

提案手法

• x ≤ 0.15の範囲で、EuPd₂(Si₁₋ₓGeₓ)₂の単結晶をCzochralski法で成長させた。
• エネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDX）を用いて、結晶構造に取り込まれた実際のGe含有量を測定した。
• 熱容量および磁化率の測定を含む熱力学的測定により、価数クロスオーバー温度と反強磁性転移温度を特定した。
• X線回折を用いて格子定数を測定し、温度依存的な構造的変化を追跡した。
• 磁気的および電子的熱容量データを用いてエントロピー解析を実施し、価数フラクチュエーションの有無を評価した。
• 熱力学的・構造的・磁気的データを統合して、濃度-温度相図を構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EuPd₂(Si₁₋ₓGeₓ)₂におけるGe置換が、価数クロスオーバー温度T′_Vおよび長距離磁気的秩序の出現に与える影響は何か？
• RQ2 結晶格子に実際に取り込まれたGe濃度は、表記組成に対してどの程度であり、相転移挙動にどのように影響するか？
• RQ3 Ge含有量の増加に伴い、系は一次転移を示す価数転移であるのか、それともクロスオーバー的転移を示すのか？
• RQ4 反強磁性秩序状態における磁気的異方性の性質は何か？また、結晶学的c軸とどのように関係しているか？
• RQ5 電子的自由度（価数フラクチュエーション）と格子的自由度（格子定数の変化）との間には、どの程度の結合が存在するか？

主な発見

• 結晶構造に取り込まれた実際のGe含有量は、名目濃度のおよそ半分にとどまり、理想固溶体行動とは著しく異なることが示された。
• 価数クロスオーバー温度T′_VはGe含有量の増加に伴い強く抑制され、EuPd₂Si₂では約160 Kからx ≈ 0.10で約60 Kに低下した。
• x ≈ 0.105で、T_N = 47 Kの鋭い反強磁性転移が観測され、価数フラクチュエーティング状態から長距離磁気的秩序状態への転移が示された。
• 四角晶c軸に垂直な簡単平面を示す磁気的異方性が観測され、秩序状態における異方的交換相互作用を示している。
• x = 0.105のサンプルにおける磁気的エントロピー変化はR·ln(8)に近く、価数フラクチュエーションの不在を確認し、明確な磁気的基底状態を支持している。
• フラクチュエーティングなサンプルでは、価数クロスオーバー中に格子定数aが連続的に1.8%変化することが観測され、強い電子的-格子結合を示している。一方、秩序状態のサンプルでは同様の異常は観測されなかった。