[논문 리뷰] X-ray Magnetic Circular Dichroism of Valence Fluctuating State in Eu at High Magnetic Fields

Yasuhiro H. Matsuda, Zijun Ouyang외 7명|ArXiv.org|2009. 01. 27.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 최대 40 T의 고자기장에서 X선 자기회절 이방성 분광법(XMCD)을 사용하여, 가치변동하는 유로프로판드에서 5d 전자의 자화를 조사하며, 자화가 없는 유 europium(III) (J=0) 상태에서도 예상치 못한 XMCD를 관측하였다. 주요 발견은 유 europium(III) 상태에서 5d 전자의 자화가 c-f 혼성화에 의해 유도되며, EuNi₂P₂에서 약 0.3, EuNi₂(Si₀.₁₈Ge₀.₈₂)₂에서 약 0.1인 P₅d(3+)/P₅d(2+) 비율을 보이며, 이는 물질에 따라 달라지는 혼성화 강도를 반영한다.

ABSTRACT

X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) at the Eu L-edge (2p->5d) in two compounds exhibiting valence fluctuation, namely EuNi2(Si0.18Ge0.82)2 and EuNi2P2, has been investigated at pulsed high magnetic fields of up to 40 T. A distinct XMCD peak corresponding to the trivalent state (Eu3+; f6), whose ground state is nonmagnetic (J=0), was observed in addition to the main XMCD peak corresponding to the magnetic (J=7/2) divalent state (Eu2+; f7). This result indicates that the 5d electrons belonging to both valence states are magnetically polarized. It was also found that the ratio P5d(3+)/P5d(2+) between the polarization of 5d electrons (P5d) in the Eu3+ state and that of Eu2+ is ~ 0.1 in EuNi2(Si0.18Ge0.82)2 and ~ 0.3 in EuNi2P2 at magnetic fields where their macroscopic magnetization values are the same. The possible origin of the XMCD of the Eu3+ state and an explanation of the dependence of P5d(3+)/P5d(2+) on the material are discussed in terms of hybridization between the conduction electrons and the f electrons.

연구 동기 및 목표

• 극한의 자기장 조건에서 가치변동하는 유 화합물의 5d 전자 응답을 조사하기 위해.
• 자기모멘트가 없는 비자성 유 europium(III) (J=0) 상태에서 XMCD가 관측되는지 확인하고, 그 기원을 규명하기 위해.
• 다양한 유 기반 물질에서 유 europium(II) (J=7/2) 및 유 europium(III) (J=0) 상태의 5d 전자 자화를 비교하기 위해.
• c-f 혼성화가 비자성 유 europium(III) 상태에서 XMCD를 매개하는 역할을 탐색하기 위해.

제안 방법

• XMCD 분광법은 SPring-8에서 얻은 다이아몬드 편광판을 통한 원형 편광 X선을 사용하여 유 L₂,₃ 에지(2p → 5d)에서 수행되었다.
• 미니어처 펄스 자기장 장치를 사용하여 최대 40 T의 펄스 자기장 조건에서 실험를 수행하였다.
• 다결정성 EuNi₂(Si₀.₁₈Ge₀.₈₂)₂와 단결정성 EuNi₂P₂를 사용하였으며, 투과 측정을 위해 샘플 두께를 약 10 µm로 희석하였다.
• 펄스 자기장과 동기화된 연속된 스포트에서 X선의 편광 방향을 번갈아 가며 Δμt = μ⁺t − μ⁻t 방식으로 XMCD 신호를 추출하였다.
• 유 europium(II) 및 유 europium(III) 상태에서 5d 전자의 자화도 P₅d를 정량화하고, 동일한 매크로스코픽 자화 수준에서 다양한 물질 간에 비교하였다.
• c-f 혼성화를 고려한 이중 준위 모델을 사용하여, 영점 자기장에서의 가치 이격도 v*로부터 상대적 혼성화 강도 V/ΔE를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기모멘트가 없는 비자성 유 europium(III) (J=0) 상태가 극한 자기장에서 측정 가능한 XMCD를 보일 수 있는가, 비록 그 기본 상태가 비자성임에도 불구하고?
• RQ2 J=0 기본 상태이자 내재된 자기모멘트가 없는 상태에서 유 europium 상태의 XMCD 기원은 무엇인가?
• RQ3 다양한 유 기반 화합물에서 유 europium(III) 상태의 5d 전자 자화가 유 europium(II) 상태와 정량적으로 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ4 관측된 유 europium(III) 상태의 XMCD는 어느 정도 c-f 혼성화와 물질 간 전자 구조의 차이에 의해 영향을 받는가?

주요 결과

• 비자성 유 europium(III) (f⁶, J=0) 상태에서 고자기장에서 명백한 XMCD 피크를 관측하여, 5d 전자의 자화가 발생했음을 시사한다.
• 비슷한 자화 수준에서 EuNi₂P₂에서 P₅d(3+)/P₅d(2+) 비율은 약 0.3, EuNi₂(Si₀.₁₈Ge₀.₈₂)₂에서는 약 0.1로 측정되었다.
• P₅d(3+)/P₅d(2+) 비율은 물질에 따라 달라지며, 추정된 c-f 혼성화 강도와 상관관계가 있으며, 이 두 물질 간 비율이 2.5인 데, 이는 이론적 추정치 3.3과 유사하다.
• P₅d(3+)의 자기장 의존성은 매크로스코픽 자화 곡선과 일치하여, 국소 자석모멘트가 아닌 장거리 혼성화 효과를 반영하고 있음을 시사한다.
• 유 europium(II)의 XMCD는 d-f 스핀 교환에 의해 유도된 국소 4f 자기모멘트 때문인 반면, 유 europium(III)의 XMCD는 c-f 혼성화를 통해 이동성 도전전자와 연결되어 있다.
• 결과는 c-f 혼성화가 비자성 유 europium(III) 상태에서 XMCD를 가능하게 하며, 두 가지 가능한 메커니즘(즉, J=1 상태의 혼성화 또는 도전전자 스핀 자화)이 존재함을 지지한다.