[論文レビュー] Highly frustrated magnetism in SrHo2O4: Coexistence of two types of short-range order

O. Young, Andrew Wildes+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2013

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ひとこと要約

本研究は、低温においてSrHo₂O₄が2つの異なる短距離磁気秩序を示すことを明らかにした。これは、結晶学的に非等価な2つのHo³⁺サイトに起因する。偏光および非偏光中性子回折を用いて、0.7 K未塔の(hk0)面における弾性拡散散乱と、4.5 KまでのQ = (hk±½)における一次元的散乱平面を特定した。c軸に沿う相関長は最大230 Åに達し、c軸に沿った反強磁性的スピン配列とb軸に沿ったスピン配列が共存していることを示している。

ABSTRACT

SrHo2O4 is a geometrically frustrated magnet in which the magnetic Ho3+ ions form honeycomb layers connected through a network of zigzag chains. At low-temperature two distinct types of short-range magnetic order can be inferred from single crystal diffraction data, collected using both polarized and unpolarized neutrons. In the (hk0) plane the diffuse scattering is most noticeable around the k = 0 positions and its intensity rapidly increases at temperatures below 0.7 K. In addition, planes of diffuse scattering at Q = (hk +/- l/2) are visible at temperatures as high as 4.5 K. These planes coexist with the broad peaks of diffuse scattering in the (hk0) plane at low-temperatures. Correlation lengths associated with the broad peaks are L ~ 150 Å in the a-b plane and L ~ 190 Å along c axis, while the correlation length associated with the diffuse scattering planes is L ~ 230 Å along the c axis at the lowest temperature. Both types of diffuse scattering are elastic in nature. The highly unusual coexistance of the two types of diffuse scattering in SrHo2O4 is likely to be the result of the presence of two crystallographically inequivalent sites for Ho3+ in the unit cell.

研究の動機と目的

• 0.05 Kまで長距離秩序を示さない幾何的フラストレーションを持つ磁性体であるSrHo₂O₄の低温磁気構造を調査すること。
• 中性子回折データで観察された2種類の明確に異なる短距離磁気秩序の性質と起源を特定すること。
• エネルギー分解測定を用いて、拡散散乱の特徴が弾性過程か非弾性過程かを確認すること。
• 観察された磁気相関を、単位格子内に存在する2つの結晶学的に非等価なHo³⁺サイトに結びつけること。

提案手法

• ISISおよびILL施設で非偏光および偏光中性子を用いた単結晶中性子回折を実施した。
• 磁気散乱を完全にマッピングするために、3つの直交する逆格子面、(hk0)、(h0l)、(0kl)でデータ収集を行った。
• D10回折計で垂直に焦点を合わせたピロライティックグラファイト(PG)分析器を用い、エネルギー分解能を測定し、散乱の弾性性を確認した。
• Lorentz関数フィッティングを用いて拡散散乱を解析し、半値全幅(FWHM)を抽出し、エネルギー分解能を評価した。
• 2次元面検出器と分析器構成のデータを比較することで、拡散特徴の弾性性を検証した。
• 特にPnam空間群における2つの異なるHo³⁺サイトに注目し、磁気散乱パターンと結晶構造を関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SrHo₂O₄に観察される2種類の明確に異なる短距離磁気秩序は、何によって引き起こされ、長距離秩序がない中でどのように共存しているのか。
• RQ2 拡散散乱特徴は弾性か非弾性か。これは磁気相関のダイナミクスにどのような意味を持つのか。
• RQ3 2つの磁気秩序の相関長および空間的広がりは、逆格子空間でどのように異なっているか。
• RQ4 2種類の秩序は、単位格子内の2つの結晶学的に非等価なHo³⁺サイトに起因するとみなせるか。
• RQ5 なぜ1つの拡散散乱は高温域（4.5 Kまで）にわたって持続するのに対し、もう1つは0.7 K未塔でのみ観察されるのか。

主な発見

• SrHo₂O₄では2種類の異なる短距離磁気秩序が共存しており、0.7 K未塔の(hk0)面における拡散散乱と、4.5 KまでのQ = (hk±½)における平面的拡散散乱が観察された。
• (hk0)の拡散散乱はk = 0に中心があり、a-b面ではL ≈ 150 Å、c軸に沿ってはL ≈ 190 Åの相関長を示した。
• Q = (hk±½)における平面的拡散散乱は、最低温度でc軸に沿った相関長がL ≈ 230 Åに達し、一次元的性質を示した。
• 両方の拡散散乱は、分析器のエネルギー分解能内では弾性であり、異なるスキャンでFWHM値はそれぞれ約0.05 Å⁻¹および約0.03 Å⁻¹であった。
• 偏光中性子測定により、(hk0)散乱はc軸に沿ってスピンが反強磁性的に結合していることを確認した。一方、(hk±½)散乱はb軸に沿ってスピンが整列していることを示した。
• これらの2つの秩序の共存は、Pnam単位格子内に存在する2つの結晶学的に非等価なHo³⁺サイトに起因すると考えられる。