[논문 리뷰] Highly frustrated magnetism in SrHo2O4: Coexistence of two types of short-range order

O. Young, Andrew Wildes외 5명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 07.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 낮은 온도에서 스트리안늄(II) dysprosium 산화물(SrHo₂O₄)이 두 가지 서로 다른 단거리 자성 질서를 보이며, 이는 두 개의 결정학적으로 비등가인 Ho³⁺ 이온 위치에서 기인함을 밝혀낸다. 투과성 및 비투과성 중성자 회절을 통해 0.7 K 이하에서 (hk0) 평면에서의 탄성 산란과 최대 4.5 K까지 Q = (hk±½)에서의 일차원적 산란 평면을 규명하였으며, c축을 따라 최대 230 Å의 상관 길이를 가지며, c축과 b축을 따라 반자성 스핀 배열이 공존함을 시사한다.

ABSTRACT

SrHo2O4 is a geometrically frustrated magnet in which the magnetic Ho3+ ions form honeycomb layers connected through a network of zigzag chains. At low-temperature two distinct types of short-range magnetic order can be inferred from single crystal diffraction data, collected using both polarized and unpolarized neutrons. In the (hk0) plane the diffuse scattering is most noticeable around the k = 0 positions and its intensity rapidly increases at temperatures below 0.7 K. In addition, planes of diffuse scattering at Q = (hk +/- l/2) are visible at temperatures as high as 4.5 K. These planes coexist with the broad peaks of diffuse scattering in the (hk0) plane at low-temperatures. Correlation lengths associated with the broad peaks are L ~ 150 Å in the a-b plane and L ~ 190 Å along c axis, while the correlation length associated with the diffuse scattering planes is L ~ 230 Å along the c axis at the lowest temperature. Both types of diffuse scattering are elastic in nature. The highly unusual coexistance of the two types of diffuse scattering in SrHo2O4 is likely to be the result of the presence of two crystallographically inequivalent sites for Ho3+ in the unit cell.

연구 동기 및 목표

• 0.05 K까지 장거리 질서가 없는 기하학적 난류를 가진 자성체인 SrHo₂O₄의 저온 자성 구조를 조사하기 위해.
• 중성자 회절 데이터에서 관측된 두 가지 서로 다른 단거리 자성 질서의 성격과 기원을 규명하기 위해.
• 에너지 해상도 측정을 통해 산란 특징이 탄성인지 비탄성인지 확인하기 위해.
• 관측된 자성 상관관계를 단위셀 내의 두 개의 결정학적으로 비등가인 Ho³⁺ 이온 위치와 연결하기 위해.

제안 방법

• ISIS 및 ILL 시설에서 비극성 및 극성 중성자를 사용한 단결정 중성자 회절을 수행하였다.
• 자기 산란을 완전히 맵핑하기 위해 세 개의 수직 상호작용 공간 평면인 (hk0), (h0l), 및 (0kl)에서 데이터를 수집하였다.
• D10 회절계에서 수직 집중형 피로라이틱 과산화수소(HPG) 분석기를 사용하여 에너지 해상도를 측정하고 산란의 탄성 성격을 확인하였다.
• Lorentzian 피크 피팅을 사용하여 산란을 분석하여 반폭(FWHM)을 추출하고 에너지 해상도를 평가하였다.
• 2차원 영역 검출기와 분석기 구성의 데이터를 비교하여 산란 특징의 탄성 성격을 검증하였다.
• 특히 Pnam 공간군 내에서 두 개의 서로 다른 Ho³⁺ 이온 위치에 초점을 맞춰 자성 산란 패tern과 결정 구조를 연관시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SrHo₂O₄에서 두 가지 서로 다른 단거리 자성 질서가 발생하는 원인은 무엇이며, 장거리 질서 없이 어떻게 공존할 수 있는가?
• RQ2 산란 특징이 탄성인지 비탄성인지이며, 이는 자성 상관관계의 역학에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 두 자성 질서의 상관 길이와 공간적 범위는 상호 공간에서 어떻게 다를까?
• RQ4 두 종류의 질서가 단위셀 내의 두 개의 결정학적으로 비등가인 Ho³⁺ 이온 위치에 기인하는가?
• RQ5 왜 한 종류의 산란은 높은 온도까지(최대 4.5 K) 유지되는 반면, 다른 한 종류는 0.7 K 이하에서만 나타나는가?

주요 결과

• SrHo₂O₄에서 두 가지 서로 다른 단거리 자성 질서가 공존한다: 0.7 K 이하에서 (hk0) 평면에서의 산란과 최대 4.5 K까지의 평면형 산란(Q = (hk±½)).
• (hk0) 산란은 k = 0에 중심을 두며, a-b 평면에서의 상관 길이 L ≈ 150 Å, c축 방향에서의 상관 길이 L ≈ 190 Å이다.
• (hk±½)에서의 평면형 산란은 최저 온도에서 c축 방향으로 상관 길이 L ≈ 230 Å를 가지며, 일차원적 특성을 나타낸다.
• 두 유형의 산란 모두 분석기의 에너지 해상도 범위 내에서 탄성이며, 다양한 측정에서 FWHM 값은 약 ~0.05 Å⁻¹ 및 ~0.03 Å⁻¹이다.
• 극성 중성자 측정 결과, (hk0) 산란은 c축을 따라 반자성적으로 결합된 스핀을 포함하는 반면, (hk±½) 산란은 b축을 따라 정렬된 스핀을 포함함을 확인하였다.
• 이 두 질서의 공존은 Pnam 단위셀 내의 두 개의 결정학적으로 비등가인 Ho³⁺ 이온 위치에서 기인하며, 이들이 서로 다른 자성 상관관계를 형성함을 시사한다.