[논문 리뷰] Complete phase diagram of Sr$_{1-x}$La$_x$FeO$_3$ with versatile magnetic and charge ordering

Masaho Onose, H. Takahashi외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 28.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고압 합성과 다중 측정을 통해 Sr₁₋ₓLaₓFeO₃ (0 ≤ x ≤ 0.5)의 완전한 전자 상도를 수립하여, 두 개의 다중-q 나선자기 상이 x < 0.1에서 금속성 특성 상실과 함께 급격히 소멸하는 반면, 세 번째 단일-q 나선자기 상은 x > 0.1에서 강력하게 유지되며 x ≈ 1/3 근처에서 스핀/전하 정렬 상으로 진화하는 것으로 밝혀졌다. 이는 이동성 리간드 정공이 복잡한 자성 구조를 안정화하는 데 핵심적인 역할을 한다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

A detailed electronic phase diagram of perovskite-type oxides Sr$_{1-x}$La$_x$FeO$_3$ $(0\leq x \leq 0.5)$ was established by synchrotron X-ray diffraction, magnetization, and transport measurements for polycrystalline samples synthesized by a high-pressure technique. Among three kinds of helimagnetic phases in SrFeO$_3$ at zero field, two of them showing multiple-${\it q}$ helimagnetic spin textures tend to rapidly disappear in cubic symmetry upon the La substitution with $x$ less than 0.1, which accompanies the loss of metallic nature. On the other hand, the third helimagnetic phase apparently remains robustly in Sr$_{1-x}$La$_x$FeO$_3$ with $x$ higher than 0.1, followed by merging to the spin/charge ordered phase with $x\sim 1/3$. We propose an important role of itinerant ligand holes on the emergence of multiple-${\it q}$ states and a possible link between the third (putative single-${\it q}$) helimagnetic phase in SrFeO$_3$ and the spin/charge ordered phase in Sr$_{2/3}$La$_{1/3}$FeO$_3$.

연구 동기 및 목표

• 전체 도핑 범위(0 ≤ x ≤ 0.5)에서 Sr₁₋ₓLaₓFeO₃의 전체 전자 상도를 매핑하기.
• 이 퍼보스카이트 산화물에서 La 도핑이 자성 및 전하 정렬 상태의 진화에 미치는 영향을 이해하기.
• 이동성 리간드 정공이 복잡한 다중-q 나선자기 구조를 안정화하는 데 기여하는 바를 규명하기.
• SrFeO₃의 단일-q 나선자기 상과 Sr₂/₃La₁/₃FeO₃의 스핀/전하 정렬 상 사이의 연관성을 조사하기.

제안 방법

• 상 순도와 제어된 도핑을 확보하기 위해 고압 고체상 반응법을 이용한 다결정 Sr₁₋ₓLaₓFeO₃ 샘플 합성.
• 결정 구조, 격자 상수 및 장거리 질서를 결정하기 위해 싱크로트론 X선 회절을 사용.
• 전역 도핑 범위에서 자성 전이 및 상 안정성을 탐색하기 위한 자화도 측정.
• 금속-절연체 전이 등을 평가하기 위한 전기적 성질 평가를 위한 전기 전도도 측정.
• 구조적, 자성 및 전기적 데이터의 상관관계를 분석하여 종합적인 상도를 구성하기.
• 비교적 상 안정성 경향을 통한 이동성 리간드 정공이 다중-q 나선자기 상태를 안정화하는 데 기여하는 바를 분석하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 La 도핑(x)은 SrFeO₃에서 다중-q 나선자기 상의 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 Sr₁₋ₓLaₓFeO₃에서 단일-q 나선자기 상의 지속성과 스핀/전하 정렬 상의 발생 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ3 왜 두 개의 다중-q 나선자기 상은 낮은 x(< 0.1)에서 급격히 소멸하는가, 반면 세 번째 상은 강력하게 유지되는가?
• RQ4 이동성 리간드 정공은 복잡한 자성 구조의 형성과 안정화에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 SrFeO₃의 단일-q 나선자기 상과 Sr₂/₃La₁/₃FeO₃의 스핀/전하 정렬 상 사이에 직접적인 진화적 연결 고리가 존재하는가?

주요 결과

• SrFeO₃에서 두 개의 다중-q 나선자기 상은 x < 0.1에서 La 도핑과 함께 급격히 소멸하며, 이는 금속성 행동 상실과 동시에 발생한다.
• 세 번째 나선자기 상은 x > 0.1에서 안정적으로 유지되며, x ≈ 1/3 근처에서 스핀/전하 정렬 상으로 연속적으로 진화한다.
• 단일-q 나선자기 상의 지속성은 이동성 리간드 정공이 복잡한 자성 구조를 안정화하는 데 기여하는 역할을 한다는 것을 시사한다.
• x ≈ 1/3에서 나선자기 상에서 스핀/전하 정렬 상으로의 상전이는 전자 정렬의 연속적 진화를 나타낸다.
• 자료는 SrFeO₃의 단일-q 나선자기 상과 Sr₂/₃La₁/₃FeO₃의 스핀/전하 정렬 상 사이에 리간드 정공 역학을 통해 매개되는 가능성이 있는 연결 고리를 지지한다.