[論文レビュー] Absence of a static in-plane magnetic moment in the "hidden-order" phase of URu$_2$Si$_2$

Pinaki Das, Ryan Baumbach+7 more|Mar 18, 2013

Rare-earth and actinide compounds被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、磁性中性子散乱を用いて、URu₂Si₂の隠れた秩序相における静的面内磁気モーメントの存在を調査した。中性子散乱のQ依存性を活用することで、散乱ベクトルに垂直な成分しか検出しないことを利用し、面内モーメントの上限を ≤1×10⁻³ μB/U に厳密に制限した。これにより、顕著な面内磁気秩序が存在しないことが示され、このような成分を含む最近の理論モデルが制約を受けることになった。

ABSTRACT

We have carried out a careful magnetic neutron scattering study of the heavy fermion compound \URuSi\ to probe the possible existence of a small magnetic moment parallel to tetragonal basal plane in the "hidden-order" phase. This small in-plane component of the magnetic moment on the uranium sites $S_\parallel$ has been postulated by two recent models (rank-5 superspin/hastatic order) aiming to explain the hidden-order phase, in addition to the well-known out-of-plane component $S_\perp ~ \approx~0.01-0.04 $μ_B$/U. In order to separate $S_\parallel$ and $S_\perp$ we take advantage of the condition that for magnetic neutron scattering only the components of the magnetic structure that are perpendicular to the scattering vector $Q$ contribute to the magnetic scattering. We find no evidence for an in-plane magnetic moment $S_\parallel$. Based on the statistics of our measurement, we establish that the upper experimental limit for the size of any possible in-plane component is $S^{ m{max}}_\parallel ~ \leq~1\cdot 10^{-3} ~μ_B$/U.

研究の動機と目的

• URu₂Si₂の隠れた秩序（HO）相に静的面内磁気モーメントが存在するかを検証すること。これは、ランク5スーパースピンやハスタティック秩序といった理論モデルで提案されている。
• 長年の謎とされてきた隠れた秩序相の性質を、実験的にその秩序パラメータの性質、特に面内磁気成分を含むかどうかを制約することで解明すること。
• 静的面内磁気モーメントの大きさに対する決定的な実験的上限を提供すること。これにより、真の電子的起源が隠れてしまう可能性がある。

提案手法

• 高品質な単結晶 URu₂Si₂ を用い、隠れた秩序転移温度（T₀ = 17.5 K）未満の温度で磁性中性子散乱を実施した。
• 散乱幾何を特に選択し、散乱ベクトル Q に対して垂直な成分のみが信号に寄与するようにした。これにより、面内成分と面外成分の選択的プローブが可能になった。
• 散乱ベクトル Q がc軸に沿う [001] および [003] の逆格子空間位置で測定を実施した。この配置では、静的である面内モーメント成分は検出不能となる。
• 実験データを解析し、サンプルの品質、モザイク性、磁気ドメイン配置を考慮した上で、面内磁気モーメントの統計的上限を設定した。
• 寄生的 LMAFM 相や磁気ドメインの寄与を検討し、S∥ の上限に影響しないことを確認した。
• 理論的予測である S∥ ≈ 0.015 μB/U を実験的上限と比較し、モデルの妥当性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 URu₂Si₂の隠れた秩序相は、ウランサイトにおいて静的面内磁気モーメントを示すか？
• RQ2 面外成分 S⊥ が既に ~0.01–0.04 μB/U と既知である状況で、磁性中性子散乱は小さな面内成分 S∥ を検出可能か？
• RQ3 寄生的 LMAFM 相や磁気ドメイン配置が、小さな面内モーメントの検出にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 基底面上の回転対称性の破れは、静的面内磁気双極子モーメントに起因するのか、それとも他の電子的秩序パラメータに起因するのか？
• RQ5 実験結果は、最近の理論モデルが予測するように、HO相に非ゼロの面内磁気モーメントが存在することを支持するか、あるいは排除するか？

主な発見

• 高分解能の中性子散乱測定にもかかわらず、URu₂Si₂の隠れた秩序相に静的面内磁気モーメントの証拠は得られなかった。
• 面内磁気モーメントの実験的上限は S∥^max ≤ 1×10⁻³ μB/U と設定され、理論的予測の 0.015 μB/U よりも1桁以上も小さい。
• 面内磁気秩序の不在は、主たる秩序パラメータとして静的面内磁気双極子モーメントを必要とするモデルを排除する。
• 寄生的 LMAFM 相の寄与に対しても結果は頑健であり、サンプル中の割合が8%未満と推定されるため、観測された上限を説明するには不十分である。
• 最近のNMR研究と一致し、静的面内モーメントがないことが示された。これにより、電子的ネマティック性や磁気多重極子が対称性の破れの原因である可能性が支持される。
• データから、基底面上の4重対称性の破れおよび関連する時間反転対称性の破れは、磁気双極子モーメントに起因するのではなく、高ランクの電子的秩序または不規則性効果に起因する可能性があると示唆された。