[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究利用磁性中子散射技术，探究 URu₂Si₂ 的隐藏序相中是否存在静态面内磁矩。通过利用中子散射的 Q 依赖性（仅检测与散射矢量垂直的分量），作者设定了任何面内磁矩的严格上限，≤1×10⁻³ μB/U，从而排除了显著的面内磁序，并对近期提出此类分量的理论模型构成约束。

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.

研究动机与目标

• 检验 URu₂Si₂ 的隐藏序（HO）相中是否存在静态面内磁矩，该现象已在如五阶超自旋或哈斯塔蒂序等理论模型中被提出。
• 通过实验约束其序参量的性质，特别是是否包含面内磁分量，以解决隐藏序相长期存在的谜题。
• 为任何面内磁矩的大小提供确定的实验上限，以避免其掩盖 HO 转变的真实电子起源。

提出的方法

• 在低于隐藏序转变温度（T₀ = 17.5 K）的高质量单晶 URu₂Si₂ 上进行了磁性中子散射实验。
• 散射几何设计使得仅磁矩垂直于散射矢量 Q 的分量对信号有贡献，从而实现对面内与面外分量的选择性探测。
• 在倒空间位置 [001] 和 [003] 进行测量，此时散射矢量 Q 沿 c 轴方向，因此若存在静态面内磁矩则无法被探测到。
• 通过分析实验数据，设定了任何面内磁矩的统计上限，同时考虑了样品质量、块状度及磁结构域构型的影响。
• 分析了寄生 LMAFM 相和磁结构域可能的贡献，确认其不影响对 S∥ 的上限估计。
• 将理论预测的 S∥ ≈ 0.015 μB/U 与实验上限进行比较，以评估模型的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 URu₂Si₂ 的隐藏序相是否在铀原子位点表现出静态面内磁矩？
• RQ2 当已知垂直分量 S⊥ 约为 0.01–0.04 μB/U 时，磁性中子散射能否探测到微小的面内分量 S∥？
• RQ3 寄生 LMAFM 相或磁结构域构型在多大程度上可能影响对微小面内磁矩的探测？
• RQ4 基面中观察到的旋转对称性破缺是由静态面内磁偶极矩引起，还是由其他电子序参量引起？
• RQ5 实验结果是否支持或排除了近期理论模型中预测的隐藏序相中存在非零面内磁矩的假设？

主要发现

• 尽管进行了高分辨率中子散射测量，仍未发现 URu₂Si₂ 隐藏序相中存在静态面内磁矩的证据。
• 任何面内磁矩的实验上限被确定为 S∥^max ≤ 1×10⁻³ μB/U，比理论预测的 0.015 μB/U 小一个数量级以上。
• 面内磁序的缺失排除了以静态面内磁偶极矩为主序参量的理论模型。
• 该结果对寄生 LMAFM 相的贡献具有鲁棒性，其估计含量低于 8%，不足以解释观测到的上限。
• 研究结果与近期 NMR 研究一致，后者也未发现静态面内磁矩，支持电子向列性或磁多极序等替代解释。
• 数据表明，基面中四重旋转对称性的破缺及伴随的时间反演对称性破缺并非由磁偶极矩引起，而可能源于更高阶电子序或无序效应。