[논문 리뷰] Formation of short-range magnetic order and avoided ferromagnetic quantum criticality in pressurized LaCrGe$_3$

Elena Gati, John M. Wilde외 12명|Iowa State University Digital Repository (Iowa State University)|2020. 11. 09.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고압 조건에서 LaCrGe₃의 페로자성 양자临계점 억제를 다중 기술 실험을 통해 조사하여 약 1.5 GPa에서의 일阶 전이와 그 이상에서의 단거리 자성 순서의 발생을 규명하였다. 이는 장거리 반자성 순서가 아니라, 장거리 반자성 순서가 아닌 것으로 나타났다. 결과적으로 LaCrGe₃는 피하기 쉬운 양자临계점 근처에서 청정 및 약간의 불순물이 있는 이탈런트 페로자성체를 연결하는 흔한 시스템으로 위치한다.

ABSTRACT

LaCrGe$_3$ has attracted attention as a paradigm example of the avoidance of ferromagnetic (FM) quantum criticality in an itinerant magnet. By combining thermodynamic, transport, x-ray and neutron scattering as well as $μ$SR measurements, we refined the temperature-pressure phase diagram of LaCrGe$_3$. We provide thermodynamic evidence (i) for the first-order character of the FM transition when it is suppressed to low temperatures and (ii) for the formation of new phases at high pressures. From our microscopic data, we infer that short-range FM ordered clusters exist in these high-pressure phases. These results suggest that LaCrGe$_3$ is a rare example, which fills the gap between the two extreme limits of avoided FM quantum criticality in clean and strongly disordered metals.

연구 동기 및 목표

• 고압 조건에서 LaCrGe₃의 자성 전이 특성을 규명하고, 특히 피하기 쉬운 페로자성 양자临계점 근처에서의 행동을 이해하는 것.
• 고압 상태에서 장거리 반자성 순서인지 또는 단거리 자성 상관관계가 지배적인지 확인하는 것.
• 약한 불순물과 경쟁하는 FM/AFM 상호작용이 피하기 쉬운 양자临계점 근처에서 단거리 순서를 안정화시키는 데 기여하는 정도를 평가하는 것.
• 열역학적, 전기적, 그리고 미시적 탐사 수 Mittel을 사용하여 LaCrGe₃의 온도-압력 상 다이어그램을 정밀하게 보완하는 것.

제안 방법

• 상전이 및 이질현상을 감지하기 위해 고압 전도도, 비열, 열팽창 측정을 수행하였다.
• 격자 상수 및 자성 Bragg 피크 강도 변화를 모니터링하기 위해 X선 및 중성자 회절 실험을 실시하였다.
• 국소 자장과 장거리 및 단거리 자성 순서를 구분하기 위해 투입된 양성자 스핀 회전(µSR)을 적용하였다.
• 임계 행동 및 상전이를 식별하기 위해 열역학량의 이질적 기여(ΔC/T, Δα)를 분석하였다.
• 자기 순서에 민감한 (1 0 0) Bragg 피크 강도의 변화를 추적하기 위해 중성자 산란을 사용하였다.
• 다양한 기술의 데이터를 통합하여 종합적인 온도-압력 상 다이어그램을 구성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압력이 페로자성 전이를 낮은 온도로 억제함에 따라 LaCrGe₃의 자성 전이 특성은 어떠한가?
• RQ2 LaCrGe₃의 고압 상은 장거리 반자성 순서를 보이거나 단거리 자성 상관관계를 지배하는가?
• RQ3 ~1.5 GPa에서의 이阶 전이에서의 전이가 청정 이탈런트 페로자성체에서 피하기 쉬운 양자临계점의 징후인가?
• RQ4 약한 불순물 또는 경쟁 상호작용이 피하기 쉬운 양자临계점 근처에서 단거리 자성 순서 형성에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 격자 변형과 부피 변화는 압력 하에서 새로운 자성 상의 발생과 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• LaCrGe₃의 페로자성 전이가 약 1.5 GPa 근처의 삼중점에서 일阶 전이로 변화하여, 피하기 쉬운 페로자성 양자临계점에 대한 열역학적 증거를 제공한다.
• 고압 조건(약 1.9 GPa)에서 T₁ 및 T₂라는 두 개의 상이한 이질점이 나타나, 일阶 전이선 이상에서 새로운 자성 상의 형성을 시사한다.
• T₁ 이하에서는 자성 부피 분율이 온도에 따라 크게 변화함을 보여, 장거리 순서가 아닌 동적인 단거리 자성 순서임을 나타낸다.
• T₂ < T₁ 이하에서도 잔류 자화가 유지됨을 통해 장거리 반자성 순서의 부재를 확인하고, 단거리 FM 군집의 존재를 지지한다.
• T₁ 및 T₂를 넘어서도 격자 대칭성의 명백한 변화가 관찰되지 않아, 강한 격자 결합을 가진 스핀-나이메틱 상의 가능성은 배제된다.
• 결과적으로 LaCrGe₃는 피하기 쉬운 양자临계점 근처에서 청정 이탈런트 페로자성체에서 단거리 자성 순서를 나타내는 흔한 시스템임을 시사하며, 청정 시스템과 강한 불순물이 있는 시스템 사이의 갭을 메우는 데 기여한다.