[논문 리뷰] Ising versus XY anisotropy in frustrated R$_{2}$Ti$_{2}$O$_7$ compounds as seen by polarized neutrons

Huibo Cao, Arsen Gukasov외 4명|ArXiv.org|2009. 04. 28.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 R₂Ti₂O₇ 피로클로르 화합물에서 국소 자화율 텐서를 직접 측정하기 위해 투과된 중성자 회절을 사용하여, 외부 자기장에 의해 유도된 자성 정렬이 결정장, 교환 및 두극자 상호작용의 이방성 분자장 조합으로 인해 발생함을 밝혀냈다. 주요 발견은 분자장 텐서가 강하게 이방성이며, 희토류 이온의 종류에 따라 강자성 또는 반자성 성분이 다르게 나타남을 보여주며, 이는 이들 계열에서 이징형에서 XY형 행동으로의 전이를 설명한다.

ABSTRACT

We studied the field induced magnetic order in R$_{2}$Ti$_{2}$O$_7$ pyrochlore compounds with either uniaxial (R=Ho, Tb) or planar (R=Er, Yb) anisotropy, by polarized neutron diffraction. The determination of the local susceptibility tensor \{$χ_\parallel,χ_\perp$\} provides a universal description of the field induced structures in the paramagnetic phase (2-270 K), whatever the field value (1-7 T) and direction. Comparison of the thermal variations of $χ_\parallel$ and $χ_\perp$ with calculations using the rare earth crystal field shows that exchange and dipolar interactions must be taken into account. We determine the molecular field tensor in each case and show that it can be strongly anisotropic.

연구 동기 및 목표

• 4중축 이방성 축으로 인해 매크로스코픽 측정으로는 접근할 수 없는, 좌절된 R₂Ti₂O₇ 피로클로어에서의 국소 자화율 텐서를 결정하는 것.
• 희토류 피로클로어의 진동자 상태 선택에 있어 단일 이온 이방성, 교환 및 두극자 상호작용 간의 균형을 정량화하는 것.
• 이 화합물에서 관찰된 이징형 또는 XY형 행동이 주로 결정장 효과에 기인하는지, 또는 효과적인 교환 및 두극자 결합에 기인하는지 규명하는 것.
• 각 위치의 특성에 맞는 자화율 텐서를 사용하여 R₂Ti₂O₇ 계열 전반에 걸친 외부 자기장에 의한 자성 정렬을 통합적으로 기술하는 것.

제안 방법

• 2 K에서 270 K의 온도 범위에서 [110] 방향으로 1 T의 자기장을 적용한 Ho₂Ti₂O₇, Tb₂Ti₂O₇, Er₂Ti₂O₇ 및 Yb₂Ti₂O₇의 단일 결정에서 투과된 중성자 회절을 수행하였다.
• 고중성자 투과도(P₀ ≈ 0.91–0.98)를 가진 Super-6T2 및 5C1 분광계를 사용하여 ORPHÉEE 반응로에서 투과된 중성자의 반전 비율을 측정하였다.
• CHILSQ 및 CCSL 소프트웨어를 사용한 최소 제곱 최적화를 통해 각 희토류 이온에 대한 국소 자화율 텐서 성분 χ∥ 및 χ⊥를 추출하였다.
• 비탄성 중성자 산란으로 독립적으로 확보된 결정장 매개변수를 기반으로 자화율 텐서의 이론 계산을 수행하였으며, 실험 데이터에 적합하기 위해 이방성 분자장 텐서 λ를 도입하였다.
• 분자장 텐서 λ를 λ∥ 및 λ⊥ 성분으로 분해하여 교환 및 두극자 상호작용의 이방성 정도를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다른 희토류 이온을 가진 R₂Ti₂O₇ 화합물에서 국소 자화율 텐서 χ는 온도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 결정장 효과만으로 χ∥ 및 χ⊥의 관측된 온도 의존성은 어느 정도 설명될 수 있는가?
• RQ3 교환 및 두극자 상호작용은 이러한 좌절된 시스템에서 분자장 텐서 λ의 이방성 결정에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 왜 일부 화합물(예: Yb₂Ti₂O₇)은 평면형 결정장 이방성에도 불구하고 <111> 축 방향으로 강한 강자성 성분 λ∥를 보이는가?

주요 결과

• 연구된 모든 R₂Ti₂O₇ 화합물에서 분자장 텐서 λ가 강하게 이방성이며, λ∥ 및 λ⊥의 크기와 부호가 상당히 다름을 확인하였다.
• Ho₂Ti₂O₇의 경우 λ∥ = 0.05(5) T/μB 이고 λ⊥ = –(측정되지 않음)이며, 이는 이징형 행동 및 스핀 얼음의 국소 정렬과 일치한다.
• Tb₂Ti₂O₇의 경우 λ∥ = –0.05(2) T/μB 이고 λ⊥ = –1.0(2) T/μB 이며, 강한 평면 이방성과 함께 반자성 결합을 나타내어 외부 자기장 하에서 반자성 정렬로의 전이를 설명한다.
• Er₂Ti₂O₇의 경우 λ∥ = –0.15(1) T/μB 이고 λ⊥ = –0.45(5) T/μB 이며, 강한 면내 교환 상호작용을 보이며 XY형 특성을 강화한다.
• Yb₂Ti₂O₇의 경우 λ∥ = 2.5(5) T/μB 이고 λ⊥ ≈ 0.00(5) T/μB 이며, 약한 평면 이방성에도 불구하고 <111> 축 방향으로 강한 강자성 성분이 있음을 나타낸다.
• 실험적 χ(T) 데이터를 정량적으로 재현하기 위해 이방성 λ 텐서의 포함이 필수적이며, 이는 이러한 시스템에서 교환 및 두극자 상호작용이 본질적으로 이방성이 있음을 보여준다.