[論文レビュー] Magnetic structure and charge ordering in Fe3BO5 ludwigite

P. Bordet, E. Suard|ArXiv.org|Mar 28, 2009

High-pressure geophysics and materials被引用数 48

ひとこと要約

本研究では、単結晶X線回折および中性子粉末回折を用いて、Fe3BO5ルドルファイトにおける電子的および磁気的秩序状態の進化を調査した。283 K近傍で徐々に進行する電荷秩序状態転移が観察され、Fe2/Fe4のブリッジ上に電子が局在化し、ジクザグパターンを形成する。その後、2つの磁気的転移が発生する：112 KでFe2/Fe4鎖の反強磁性秩序が成立し、70 KでFe1/Fe3鎖の強磁性秩序が成立し、10 Kにおける単位格子あたりの純磁気モーメントは約19 μBに達する。

ABSTRACT

The crystal and magnetic structures of the three-leg ladder compound Fe3BO5 have been investigated by single crystal x-ray diffraction and neutron powder diffraction. Fe3BO5 contains two types of three-leg spin ladders. It shows a charge ordering transition at 283 K, an antiferromagnetic transition at 112 K, ferromagnetism below 70 K and a weak ferromagnetic behavior below 40K. The x-ray data reveal a smooth charge ordering and an incomplete charge localization down to 110K. Below the first magnetic transition, the first type of ladders orders as ferromagnetically coupled antiferromagnetic chains, while below 70K the second type of ladders orders as antiferromagnetically coupled ferromagnetic chains.

研究の動機と目的

• Fe3BO5ルドルファイトにおける電荷および磁気的秩序状態の温度依存的進化を、広い温度範囲（300 Kから10 K）で解明すること。
• 283 K近傍で観察される電荷秩序状態転移の性質と、その構造的および電子的影響を解明すること。
• 磁気的構造の進化、特に112 Kおよび70 Kでの2つの逐次的転移を明確にすること。
• 観察された純磁気モーメントの起源を特定し、40 K未満でそのモーメントが抑制される理由を解明すること。
• 2種類の三本脚スピンラダー間の構造的差異が、磁気的結合に与える影響を理解すること。

提案手法

• 320 Kから110 Kまでの温度依存的単結晶X線回折を、Fe3BO5単結晶に対して実施した。
• 10 Kから112 Kまでの温度範囲で中性子粉末回折（NPD）を用いて磁気的構造を調査した。
• Jana2000ソフトウェアを用いて構造および磁気的データを精査し、高温相では空間群Pbam、低温相では空間群Pbnmを適用した。
• 290 K未満でc軸パラメータの倍加が観察されるため、超構造反射を用いて電荷秩序の検出を試みた。
• NPDデータに対してリエーティルド精査法を適用し、磁気モーメントおよび秩序パターンを決定した。
• 構造的歪みと電子的挙動（特にFe2/Fe4ブリッジ上での電子局在化）の相関を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fe3BO5ルドルファイトにおける電荷秩序状態転移の性質と温度範囲は何か？
• RQ2 112 Kおよび70 Kでの磁気的構造の進化はどのように進行するのか？各タイプの三本脚スピンラダーにおける磁気的配置は何か？
• RQ3 低温度で観察された約19 μB/単位格子の純磁気モーメントは、どのような原因によるのか？
• RQ4 NPD回折パターンに顕著な変化がないにもかかわらず、40 K未満で強磁性成分が消失するのはなぜか？
• RQ5 異なるFe-O-Fe結合性（端接ぎと角接ぎ）が、2種類のラダー構造における磁気的結合にどのように影響するか？

主な発見

• Fe3BO5における電荷秩序は、200 Kから300 Kの広い温度範囲にわたり徐々に進行し、Fe2およびFe4カチオン上に電子が局在化し、ラダー軸に沿ってジグザグパターンを形成する。
• 電荷秩序状態転移は、c軸の構造的倍加と関連しており、X線回折データにおける超構造反射によって裏付けられた。
• 112 Kで最初の磁気的転移が発生し、ラダーI（Fe2/Fe4）では強磁性結合を有する反強磁性鎖が形成され、Fe2の磁気モーメントがわずかに増加する。
• 70 Kで2番目の磁気的転移が発生し、ラダーII（Fe1/Fe3）では反強磁性結合を有する強磁性鎖が形成され、10 Kにおける単位格子あたりの純磁気モーメントは約19 μBに達する。
• 10 KにおけるFe1およびFe3の磁気モーメントは、それぞれ3.3 μBおよび3.9 μBであり、Fe2+の高スピンS=2に一致する。一方、Fe2/Fe4の磁気モーメントは依然として低減（約2.3 μB）しており、磁気的および電子的秩序が完全に成立していないことを示唆している。
• 40 K付近でNPD回折パターンに顕著な変化は観察されないため、この温度未満で強磁性が消失するのは、構造的または磁気的対称性の変化によるものではなく、おそらく微細な電子的または軌道的再配分によるものであると考えられる。