[논문 리뷰] From valence fluctuations to long-range magnetic order in EuPd$_2$(Si$_{1-x}$Ge$_x$)$_2$ single crystals

Ian Marius Peters, Kristin Kliemt외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 13.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 EuPd₂(Si₁₋ₓGeₓ)₂ 계열에서 Czochralski 방법을 이용한 단일 결정 성장에 성공하여, x ≈ 0.10에서 복합자기적 변화에서 장거리 반자성 질서로의 급격한 전이를 입증하였다. 전이는 약 160 K에서의 복합자기 전이 온도가 약 60 K로 저하되고, c축에 수직인 쉬운 평면을 가진 자성 이방성이 나타나며, 복합자기 변화 기간 동안 1.8%의 격자 상수 변화가 수반됨으로써 강한 전자-격자 결합을 나타낸다.

ABSTRACT

EuPd$_2$Si$_2$ is a valence-fluctuating system undergoing a temperature-induced valence crossover at $T'_V\approx160\,$K. We present the successful single crystal growth using the Czochralski method for the substitution series EuPd$_2$(Si$_{1-x}$Ge$_x$)$_2$, with substitution levels $x\leq 0.15$. A careful determination of the germanium content revealed that only half of the nominal concentration is build into the crystal structure. From thermodynamic measurements it is established that $T'_V$ is strongly suppressed for small substitution levels and antiferromagnetic order from stable divalent europium emerges for $x\gtrsim 0.10$. The valence transition is accompanied by a pronounced change of the lattice parameter $a$ of order 1.8%. In the antiferromagnetically ordered state below $T_N = 47$ K, we find sizeable magnetic anisotropy with an easy plane perpendicular to the crystallographic c direction. An entropy analysis revealed that no valence fluctuations are present for the magnetically ordered materials. Combining the obtained thermodynamic and structural data, we construct a concentration-temperature phase diagram demonstrating a rather abrupt change from a valence-fluctuating to a magnetically-ordered state in EuPd$_2$(Si$_{1-x}$Ge$_x$)$_2$.

연구 동기 및 목표

• 정확한 열역학적 및 구조 분석을 위해 Czochralski 방법을 이용하여 EuPd₂(Si₁₋ₓGeₓ)₂의 고품질 단일 결정을 성장시키기.
• EuPd₂(Si₁₋ₓGeₓ)₂에서 Ge 치환률(x)에 따른 복합자기 변화 및 자성 질서의 변화를 조사하기.
• 계열이 복합자기 변화에서 장거리 반자성 질서 상태로 전이되는 임계 농도 x_c를 규명하기.
• 격자 상수와 엔트로피 변화가 복합자기 변화 상태와 자성 질서 상태를 구분하는 데 기여하는 방식을 규명하기.
• 이 시스템이 임계점 근처의 양자 임계점 및 임계 탄성 현상 탐지에 유망한 탐침으로서의 잠재력을 평가하기.

제안 방법

• x ≤ 0.15인 EuPd₂(Si₁₋ₓGeₓ)₂의 단일 결정을 Czochralski 성장법으로 제조하였다.
• 에너지 분산형 X선 분석(EDX)을 이용해 결정 구조에 포함된 실제 Ge 함량을 측정하였다.
• 열용량 및 자화율 측정을 포함한 열역학적 측정을 수행하여 복합자기 전이 온도와 반자성 전이 온도를 확인하였다.
• X선 회절을 통해 격자 상수를 측정하여 온도에 따른 구조적 변화를 추적하였다.
• 자기 및 전자 열용량 데이터를 이용한 엔트로피 분 析를 수행하여 복합자기 변화의 유무를 평가하였다.
• 통합된 열역학적, 구조적, 자성 데이터를 바탕으로 농도-온도 상관관계의 상 다이어그램을 구성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EuPd₂(Si₁₋ₓGeₓ)₂에서의 Ge 치환은 복합자기 전이 온도 T′_V와 장거리 자성 질서의 발생에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 실제로 결정 격자에 포함된 Ge의 비율은 명시된 조성에 비해 어떻게 되며, 이는 상 전이 거동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 Ge 농도가 증가함에 따라 시스템은 일차 전이인지, 아니면 교착형 전이인지 어떻게 되는가?
• RQ4 반자성 질서 상태에서의 자성 이방성의 성격은 무엇이며, 이는 결정학적 c축과 어떻게 관련되는가?
• RQ5 전자 자유도(복합자기 변화)와 격자 자유도(격자 상수 변화) 사이에 어느 정도의 결합이 존재하는가?

주요 결과

• 실제로 결정 구조에 포함된 Ge 농도는 명시된 농도의 약 절반에 불과하여 이상적인 고체 용액 거동에서의 심각한 이탈을 나타낸다.
• 복합자기 전이 온도 T′_V는 Ge 농도 증가에 따라 강하게 저하되며, EuPd₂Si₂에서의 약 160 K에서 x ≈ 0.10에서 약 60 K로 감소한다.
• x ≈ 0.105에서 T_N = 47 K에서 급격한 반자성 전이가 발생하여 복합자기 변화에서 장거리 자성 질서 상태로의 전이가 이루어진다.
• 정방형 c축에 수직인 쉬운 평면이 관측되어 질서 상태에서의 이방성 스핀 상호작용이 존재함을 나타낸다.
• x = 0.105인 샘플에서의 자기 엔트로피 변화는 R·ln(8)에 매우 가까워 복합자기 변화가 없음을 확인하고 잘 정의된 자성 기저 상태를 지지한다.
• 복합자기 변화 기간 동안 복합자기 변화 샘플에서 격자 상수 a가 연속적으로 1.8% 변화함을 관측하여 강한 전자-격자 결합을 나타내며, 질서 상태 샘플에서는 이러한 이질성이 관측되지 않는다.