[論文レビュー] Static and fluctuating stripe order observed by resonant soft x-ray diffraction in La1.8Sr0.2NiO4

J. Schlappa, C. F. Chang+12 more|ArXiv.org|Mar 5, 2009

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、レゾナント・ソフトX線回折（RSXD）と中性子回折を用いて、La1.8Sr0.2NiO4におけるストライプ秩序を調査し、RSXDがエネルギー積分型であるため、静的および揺動的磁気秩序の両方を検出できることを明らかにした。中性子回折とは異なり、スピン秩序と電荷秩序の両方が温度依存性を同じくする。これは、揺動的磁気秩序がRSXD信号に顕著に寄与しており、量子材料における動的秩序を探索するための新しい手法を提供することを示している。

ABSTRACT

We studied the stripe phase of La1.8Sr0.2NiO4 using neutron diffraction, resonant soft x-ray diffraction (RSXD) at the Ni L2,3 edges, and resonant x-ray diffraction (RXD) at the Ni K threshold. Differences in the q-space resolution of the different techniques have to be taken into account for a proper evaluation of diffraction intensities associated with the spin and charge order superstructures. We find that in the RSXD experiment the spin and charge order peaks show the same temperature dependence. In the neutron experiment by contrast, the spin and charge signals follow quite different temperature behaviors. We infer that fluctuating magnetic order contributes considerably to the magnetic RSXD signal and we suggest that this result may open an interesting experimental approach to search for fluctuating order in other systems by comparing RSXD and neutron diffraction data.

研究の動機と目的

• La1.8Sr0.2NiO4における電荷秩序とスピン秩序に関する中性子回折とX線回折の結果に見られる矛盾を解消すること、特に低温における挙動の相違に焦点を当てる。
• 観測された温度依存性の差が、q空間分解能の違いに起因するのか、それとも揺動的磁気秩序の固有の寄与に起因するのかを調査すること。
• 通常の弾性中性子回折とは異なり、レゾナント・ソフトX線回折（RSXD）が静的および揺動的磁気秩序の両方に感度を持つかどうかを特定すること。
• 静的および動的電子秩序の寄与を解きほぐすための比較的実験フレームワークを、RSXD、中性子回折、およびニッケルK端でのレゾナントX線回折（RXD）を用いて確立すること。

提案手法

• ニッケルL2,3端でのレゾナント・ソフトX線回折（RSXD）を実施し、電子状態の空間的周期性および磁気散乱対比を調べた。
• オルフィー発電所で中性子回折を実施し、静的スピン秩序および電荷秩序からの弾性散乱を測定し、エネルギー分析を用いて静的および揺動的成分を区別した。
• ニッケルK端でのレゾナントX線回折（RXD）を実施し、電荷秩序信号を独立して検証し、q空間分解能の影響を比較した。
• x線回折による確認（FWHM 0.01°）を経て、(101)および(103)表面指向を持つ高品質な単結晶La1.8Sr0.2NiO4を用いた。
• q空間におけるHおよびL方向に沿ったピーク強度、幅、統合強度の温度依存性を分析し、分解能効果を評価した。
• q空間分解能および検出感度の違いを考慮した上で、さまざまな手法におけるスピン秩序（SO）および電荷秩序（CO）信号の温度変化を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ従来のX線回折実験では電荷秩序強度が中間温度で最大値を示すのに対し、中性子回折では冷却に伴い単調に増加するのか？
• RQ2 中性子回折とX線回折の間のq空間分解能の違いが、観測された温度依存的強度の相違をどの程度説明できるのか？
• RQ3 エネルギー分解能に欠けるにもかかわらず、レゾナント・ソフトX線回折（RSXD）は静的磁気秩序のみを検出するのか、それとも揺動的磁気相関に対しても感度を示すのか？
• RQ4 RSXDと弾性中性子回折におけるスピン秩序および電荷秩序信号の温度依存性を比較すると、磁気応答の性質について何が示唆されるのか？
• RQ5 RSXDと中性子回折のデータ比較が、他の強相関系において揺動的磁気秩序を検出する一般化可能な手法として機能する可能性はあるか？

主な発見

• ニッケルL3端におけるRSXDは、スピン秩序と電荷秩序信号が加熱に伴い同じ温度スケールで減衰することを示し、磁気応答における共通の起源を示している。
• 中性子回折では、スピン秩序はTN ≈ 105 Kで発現し緩やかに減衰する一方、電荷秩序は低温で単調に増加し、飽和することが判明した。
• 中性子回折とX線回折の結果の相違は、q空間分解能の違いによって部分的に説明できる。中性子実験ではq空間が広く積分されるため、高分解能X線実験におけるピーク高さと比較して、統合強度の減衰が遅くなる。
• 中性子回折におけるピーク幅の拡大により、電荷秩序信号はRSXDよりも高温域でより頑健に見える。一方、RSXDではピーク高さが速やかに減衰する。
• RSXDではスピン秩序と電荷秩序の両方が同じ温度依存性を示すが、中性子回折とは異なる挙動を示す。これは、RSXDがエネルギー分解能を持たないため、非弾性寄与を統合しており、静的および揺動的磁気秩序の両方を検出していることを示している。
• 本研究では、RSXDと中性子回折のデータ比較が、他の強相関系における揺動的磁気秩序の同定に新たな実験的手法として機能しうると示唆している。