[논문 리뷰] Quantum Oscillations and Magnetic Reconstruction in the Delafossite PdCrO$_2$

Clifford W. Hicks, Alexandra S. Gibbs외 8명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 30.

Copper-based nanomaterials and applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 금속성 딜라포사이트 PdCrO2에서의 양자 진동 측정을 보고하며, 그들의 피에르 표면이 √3×√3 평면 내 및 ×2 면 간 주기성을 가진 6개의 자화 단위세포로 재구성됨을 입증한다. 결과적으로 관측된 진동 수주가 비자기적 PdCoO2의 재구성된 피에르 표면과 일치함을 확인하여, k_z에 의존하는 강한 자성 결합과 스핀 순서에 의해 유도된 자성 재구성임을 시사하며, 평면 내 자기장에서 스핀-폴 전이의 증거도 제시한다.

ABSTRACT

We report quantum oscillation data on the metallic triangular antiferromagnet PdCrO$_2$. We find that, to very high accuracy, the observed frequencies of PdCrO$_2$ can be reproduced by reconstruction of the (nonmagnetic) PdCoO$_2$ Fermi surface into a reduced zone. The reduced zone corresponds to a magnetic cell containing six chromium sites, giving a $\\sqrt{3} \ imes \\sqrt{3}$ in-plane reconstruction, and $\ imes 2$ interplane reconstruction. The interplane ordering represents a reduction in lattice symmetry, possibly to monoclinic, and an associated lattice distortion is expected. In addition, we report a magnetic transition under an applied in-plane field that is probably equivalent to the spin-flop transition reported for CuCrO$_2$, and present data on its field-angle dependence. We also report measurements of the resistivity of PdCrO$_2$ up to 500 K.

연구 동기 및 목표

• 도핑된 Pd층과 모트-절연체인 CrO2층을 포함하는 금속성 딜라포사이트 PdCrO2의 전자 구조를 조사하기 위해.
• 관측된 양자 진동 수주가 자성 질서에 의해 유도된 재구성된 피에르 표면에서 기인하는지 확인하기 위해.
• 특히 자성 세포와 관련된 대칭성 감소 및 잠재적 격자 변형을 포함한 PdCrO2의 자성 질서의 성격을 조사하기 위해.
• 스핀-폴 전이의 필드 각도 의존성과 스핀 이방성에 대한 함의를 조사하기 위해.
• 자기적 기여를 분리하기 위해 비자기 기준 화합물인 PdCoO2와 PdCrO2의 전자 반응을 비교하기 위해.

제안 방법

• 저온 및 고자기장 조건에서 단결정 PdCrO2에서의 양자 진동 측정을 수행하여 피에르 표면 수주를 추출하였다.
• 관측된 진동 수주를 비자기적 PdCoO2의 구조에서 유도된 재구성된 피에르 표면과 비교하였으며, 축소된 자성 브라라우어 존을 사용하였다.
• 스핀-폴 전이의 각도 분석 측정을 수행하여 임계 자기장의 필드 각도 의존성을 결정하였다.
• 500 K까지의 전기저항 측정을 수행하여 자성 기여의 저항도 및 온도 변화를 분석하였다.
• 분석은 자성 단위세포와 관련된 k_z에 의존하는 자성 산란 벡터와 대칭성 파괴를 식별하는 데 집중하였다.
• 이론적 해석은 밀도함수이론에 의존하지 않고 대칭성 고려와 CuCrO2 및 AgCrO2와 같은 알려진 시스템과의 비교에 기반하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PdCrO2에서의 양자 진동 수주는 자성 질서에 의해 유도된 재구성된 피에르 표면에서 기인하는가? 만약 그렇다면 자성 단위세포의 성격은 무엇인가?
• RQ2 PdCrO2에서의 자성 재구성의 대칭성은 무엇이며, 원래의 R̄3m 대칭성을 깨는 격자 변형을 포함하는가?
• RQ3 PdCrO2에서의 자성 결합은 파동수 성분 k_z에 어떻게 의존하는가? 이는 자성 상호작용 범위에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 관측된 스핀-폴 전이의 기원은 무엇이며, 그 임계 자기장은 평면 내 자기장의 방향에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 PdCrO2에서의 자성 상관관계는 네일 온도 이상에서도 유지되는가? 이는 저항도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 관측된 PdCrO2의 양자 진동 수주는 비자기적 PdCoO2의 피에르 표면을 √3×√3 평면 내 및 ×2 면 간 주기성을 가진 6개의 자성 단위세포로 재구성함으로써 높은 정확도로 재현된다.
• 자기적 재구성은 격자 대칭성 감소를 암시하며, 모노클리닉으로의 가능성이 있으며, T_N = 37.5 K에서 약간의 격자 변형이 예상되나 중성자 또는 X선 회절로는 검출되지 않았다.
• 자기 결합은 k_z에 의존하며, k_z = ±π일 때는 k_z = 0일 때보다 상당히 약해지므로 c축을 따라 이방성 스핀 상호작용이 있음을 나타낸다.
• 평면 내 자기장에서 스핀-폴 전이가 관측되며, 임계 자기장은 θ ≈ +55°에서 약 15 T에서부터 θ ≈ -55°에서 거의 0 T로 부드럽게 감소함을 보여, 고- 및 저장 상태 사이의 애드리아틱 연결이 있음을 시사한다.
• PdCrO2의 자성 저항도 ρ_m은 T_N 이상에서도 계속 증가하여 최소 500 K까지도 지속적인 스핀 상관관계가 있음을 나타내며, 이는 약 -500 K 수준의 Weiss 온도와 일치한다.
• PdCrO2의 저항도는 약 200 K에서 500 K까지 선형을 이루며, 비자기적 PdCoO2와 대조적으로 자성 상관관계가 격자 진동 기여를 은폐하거나 수정함을 시사한다.