[논문 리뷰] Effect of uniaxial strain on the structural and magnetic phase transitions in BaFe$_2$As$_2$

Chetan Dhital, Z. Yamani외 6명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 09.

Magnetic Properties of Alloys인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 BaFe₂As₂의 b축에 따라 축방향 압축 응력을 가했을 때 중성자 산란을 통해 구조 전이(T_S)와 반자성 전이(T_AF)가 크게 이동하고 넓어짐을 보여주며, T_S는 약 135 K에서 ~155 K로, T_AF는 약 115 K에서 ~145 K로 증가한다. 결과적으로 응력에 의해 유도된 탈 twinning이 장거리 자성 순서를 고온에서 안정화시킴으로써, 명시적 nematic 변동만으로는 설명되지 않는 면내 전도성 이방성은 응력 하에서 재규격화된 자성 및 구조 전이 파ameters에 기인함을 시사한다.

ABSTRACT

We report neutron scattering experiments probing the influence of uniaxial strain on both the magnetic and structural order parameters in the parent iron pnictide compound, BaFe$_2$As$_2$. Our data show that modest strain fields along the in-plane orthorhombic b-axis can affect significant changes in phase behavior simultaneous to the removal of structural twinning effects. As a result, we demonstrate in BaFe$_2$As$_2$ samples detwinned via uniaxial strain that the in-plane C$_4$ symmetry is broken by extit{both} the structural lattice distortion extit{and} long-range spin ordering at temperatures far above the nominal (strain-free), phase transition temperatures. Surprising changes in the magnetic order parameter of this system under relatively small strain fields also suggest the inherent presence of magnetic domains fluctuating above the strain-free ordering temperature in this material.

연구 동기 및 목표

• 모체 철 페니시드인 BaFe₂As₂에서 축방향 응력이 구조 전이와 자성 전이에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 명시적 nematic 순서가 아닌, 전이 온도의 이동에 기인한 응력 유도 면내 전도성 이방성의 기원을 규명하기 위해.
• 응력이 twinning을 유도하고 장거리 반자성 및 구조 순서의 시작에 미치는 영향을 명확히 하기 위해.
• 응력에 의해 유도된 변동하는 자성 도메인의 안정화와 직접적인 스핀-격자 결합 효과 사이의 차이를 구분하기 위해.

제안 방법

• HFIR 및 찰크 리버의 HB-1A 및 N5 삼중축 분광계에서 중성자 산란 실험을 수행하여 부피 자성 및 구조 반응을 탐색하였다.
• 벨빌 웨셔를 사용한 압력 클램프를 통해 평면 내 오р토로브릭 b축에 따라 축방향 압축 응력을 가하였다.
• 구조 전이 온도 T_S를 추출하기 위해 (2,0,0) 구조 반사 피크를 중심으로 반경 방향 스캔을 수행하였고, 가우시안 피팅을 사용하였다.
• 자기 순서 파ameter는 (1,0,1) 반사 피크에서 추출하였으며, 평균장 피팅 M² = A(1 - T/T_AF)를 사용하여 T_AF의 시작 온도를 분석하였다.
• 응력을 약 1 MPa까지 점진적으로 증가시키며 전체 온도 범위에서 데이터를 수집하여 전이의 넓어짐을 관찰하였다.
• 자기 尾도에 영향을 미치는 결함 효과를 배제하기 위해 별도로 진공 열처리한 표본을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 b축에 따라 축방향 응력이 BaFe₂As₂의 구조 전이 시작 온도(T_S)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 응력의 적용이 응력이 없는 상태보다 높은 온도에서 장거리 반자성 순서의 시작을 이동시키는가? 만약 그렇다면 그 이유는 무엇인가?
• RQ3 탈 twinning된 BaFe₂As₂에서 관측된 면내 전도성 이방성은 명시적 nematic 순서가 아닌, 응력 하에서 재규격화된 T_S 및 T_AF에 기인한 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 응력 하에서 증가한 자성 순서 파am터는 변동하는 자성 도메인의 안정화 때문인가, 아니면 직접적인 스핀-격자 결합 효과 때문인가?
• RQ5 고응력 영역에서 T_S와 T_AF가 분리되는가? 이는 응력 상태에서 이 둘의 거의 동시에 일어나는 전이가 붕괴됨을 의미하는가?

주요 결과

• b축에 따라 축방향 압축 응력을 가하면, 응력이 없는 표본에서의 구조 전이 온도 T_S는 약 135 K에서 1 MPa 이상의 압력에서 약 155 K로 증가한다.
• 장거리 반자성 순서의 시작 온도 T_AF는 응력이 없는 BaFe₂As₂에서 약 115 K에서 고응력 상태에서 약 145 K로 증가하여 자성 전이 온도가 크게 이동함을 나타낸다.
• T_S와 T_AF 모두 응력 하에서 넓어지며, 날카로운 1차 전이가 아닌 흐릿하게 퍼진 2차 전이 유사 전이로 변화한다.
• 고응력 상태(>1 MPa)에서는 자성 순서 파am터가 완전히 채워져, 넓어진 尾도와 본질적 시작 사이에 명확한 경계가 없으며, 자성 순서의 완전한 안정화를 시사한다.
• 응력 하에서 증가한 자성 尾도는 결함으로 인한 것이 아니며, 진공 열처리한 표본에서는 이러한 변화가 관찰되지 않아 응력에 의해 자성 도메인의 안정화가 주요 메커니즘이라는 것을 시사한다.
• 결과적으로, 탈 twinning된 BaFe₂As₂에서 명시적 nematic 순서만으로는 설명되지 않는 면내 전도성 이방성은 주로 응력 하에서 재규격화된 자성 및 구조 전이에 기인하며, 이는 명시적 nematic 순서만을 고려한 해석보다 더 정확하다.