[論文レビュー] Ising versus XY anisotropy in frustrated R$_{2}$Ti$_{2}$O$_7$ compounds as seen by polarized neutrons

Huibo Cao, Arsen Gukasov+4 more|ArXiv.org|Apr 28, 2009

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 13

ひとこと要約

本研究では偏光中性子回折を用いて、R₂Ti₂O₇ペロブスカイト化合物における局所磁気感受率テンソルを直接測定し、外部磁場によって誘起される磁気秩序が、結晶場、交換相互作用、および双極子相互作用を組み合わせた異方性分子場から生じることを明らかにした。主な発見は、分子場テンソルが強く異方的であり、レアアースイオンの種類に応じて異なる強磁性または反強磁性成分を示すことである。これは、系列全体にわたるイジング的からXY的行動への転移を説明する。

ABSTRACT

We studied the field induced magnetic order in R$_{2}$Ti$_{2}$O$_7$ pyrochlore compounds with either uniaxial (R=Ho, Tb) or planar (R=Er, Yb) anisotropy, by polarized neutron diffraction. The determination of the local susceptibility tensor \{$χ_\parallel,χ_\perp$\} provides a universal description of the field induced structures in the paramagnetic phase (2-270 K), whatever the field value (1-7 T) and direction. Comparison of the thermal variations of $χ_\parallel$ and $χ_\perp$ with calculations using the rare earth crystal field shows that exchange and dipolar interactions must be taken into account. We determine the molecular field tensor in each case and show that it can be strongly anisotropic.

研究の動機と目的

• 四重対称性の軸を持つため、マクロな測定ではアクセスできない、 frustrated R₂Ti₂O₇ペロブスカイトにおける局所磁気感受率テンソルを特定すること。
• レアアースペロブスカイトの基底状態選択において、単一イオン異方性、交換相互作用、双極子相互作用のバランスを定量化すること。
• これらの化合物におけるイジング的またはXY的行動が、主に結晶場効果に起因するのか、あるいは有効な交換および双極子結合に起因するのかを解明すること。
• サイト特異的な感受率テンソルを用いて、R₂Ti₂O₇系列全体にわたる磁場誘起磁気秩序を普遍的に記述すること。

提案手法

• 2 K から 270 K の温度範囲で、[110] 方向に 1 T の磁場を印加しながら、Ho₂Ti₂O₇、Tb₂Ti₂O₇、Er₂Ti₂O₇、Yb₂Ti₂O₇ の単結晶を用いて偏光中性子回折を実施した。
• ORPHÉE原子炉を用い、Super-6T2 および 5C1 分光計を用いて、高い中性子偏光度 (P₀ ≈ 0.91–0.98) を達成した。
• CHILSQ および CCSL ソフトウェアを用いた最小二乗法によるフラップ比のフィッティングにより、各レアアースイオンの局所感受率テンソル成分 χ∥ と χ⊥ を抽出した。
• 非弾性中性子散乱から独立して決定された結晶場パラメータを用いて、感受率テンソルの理論的計算を実施し、実験データに適合させるために異方性分子場テンソル λ を導入した。
• 分子場テンソル λ を λ∥ と λ⊥ に分解し、交換および双極子相互作用の異方性を定量的に評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるレアアースイオンを有する R₂Ti₂O₇ 化合物において、局所磁気感受率テンソル χ は温度にどのように依存するか？
• RQ2 結晶場効果のみが、χ∥ および χ⊥ の観察された温度依存性を説明できる程度はどの程度か？
• RQ3 交換および双極子相互作用が、これらのフラストレーション系における分子場テンソル λ の異方性を決定する上で果たす役割は何か？
• RQ4 なぜ Yb₂Ti₂O₇ のような化合物では、平面内結晶場異方性が弱くても、<111> 軸に沿って強い強磁性 λ∥ を示すのか？

主な発見

• 全 R₂Ti₂O₇ 化合物において、分子場テンソル λ が強く異方的であり、λ∥ と λ⊥ は大きさおよび符号において顕著に異なる。
• Ho₂Ti₂O₇ では、λ∥ = 0.05(5) T/μB および λ⊥ = –（測定せず）、イジング的行動およびスピンアイスの短距離秩序と整合的である。
• Tb₂Ti₂O₇ では、λ∥ = –0.05(2) T/μB および λ⊥ = –1.0(2) T/μB であり、強い平面内異方性を示す反強磁性結合を示し、磁場下での反強磁性秩序への転移を説明する。
• Er₂Ti₂O₇ では、λ∥ = –0.15(1) T/μB および λ⊥ = –0.45(5) T/μB であり、平面内での交換相互作用がより強く、XY的性質を強化している。
• Yb₂Ti₂O₇ では、λ∥ = 2.5(5) T/μB および λ⊥ ≈ 0.00(5) T/μB であり、弱い平面内異方性にもかかわらず、<111> 軸に沿って強い強磁性成分を示している。
• 実験的 χ(T) データを定量的に再現するためには、異方性 λ テンソルの導入が不可欠であり、交換および双極子相互作用がこれらの系において本質的に異方的であることが示された。