[论文解读] Complete phase diagram of Sr$_{1-x}$La$_x$FeO$_3$ with versatile magnetic and charge ordering

Masaho Onose, H. Takahashi+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2020

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 4

一句话总结

本研究通过高温高压合成与多探针测量，建立了 Sr₁₋ₓLaₓFeO₃（0 ≤ x ≤ 0.5）的完整电子相图，发现两种多重q螺旋磁性相在 x < 0.1 时迅速消失，这是由于金属特性丧失所致；而第三种单重q螺旋磁性相在 x > 0.1 时保持稳定，并在 x ≈ 1/3 附近演化为自旋/电荷有序相，表明巡游配体空穴在稳定复杂磁性纹理中起关键作用。

ABSTRACT

A detailed electronic phase diagram of perovskite-type oxides Sr$_{1-x}$La$_x$FeO$_3$ $(0\leq x \leq 0.5)$ was established by synchrotron X-ray diffraction, magnetization, and transport measurements for polycrystalline samples synthesized by a high-pressure technique. Among three kinds of helimagnetic phases in SrFeO$_3$ at zero field, two of them showing multiple-${\it q}$ helimagnetic spin textures tend to rapidly disappear in cubic symmetry upon the La substitution with $x$ less than 0.1, which accompanies the loss of metallic nature. On the other hand, the third helimagnetic phase apparently remains robustly in Sr$_{1-x}$La$_x$FeO$_3$ with $x$ higher than 0.1, followed by merging to the spin/charge ordered phase with $x\sim 1/3$. We propose an important role of itinerant ligand holes on the emergence of multiple-${\it q}$ states and a possible link between the third (putative single-${\it q}$) helimagnetic phase in SrFeO$_3$ and the spin/charge ordered phase in Sr$_{2/3}$La$_{1/3}$FeO$_3$.

研究动机与目标

• 绘制 Sr₁₋ₓLaₓFeO₃ 在整个掺杂范围（0 ≤ x ≤ 0.5）内的完整电子相图。
• 理解 La 掺杂下该钙钛矿氧化物中磁性与电荷有序态的演化行为。
• 阐明巡游配体空穴在稳定复杂多重q螺旋磁性纹理中的作用。
• 研究 SrFeO₃ 中的单重q螺旋磁性相与 Sr₂/₃La₁/₃FeO₃ 中的自旋/电荷有序相之间的关联。

提出的方法

• 采用高温高压固态反应法合成多晶 Sr₁₋ₓLaₓFeO₃ 样品，以实现相纯度与可控掺杂。
• 利用同步辐射X射线衍射测定晶体结构、晶格参数及长程有序度。
• 通过磁化率测量探测磁性转变与相稳定性在掺杂范围内的变化。
• 通过输运测量评估电子性质，包括金属-绝缘体转变。
• 综合结构、磁性与输运数据，构建全面的相图。
• 通过比较相稳定性趋势，分析巡游配体空穴在稳定多重q螺旋磁性态中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 La 掺杂（x）如何影响 SrFeO₃ 中多重q螺旋磁性相的稳定性？
• RQ2 单重q螺旋磁性相的持续存在与 Sr₁₋ₓLaₓFeO₃ 中自旋/电荷有序的出现之间存在何种关系？
• RQ3 为何两个多重q螺旋磁性相在低x（< 0.1）时迅速消失，而第三个却保持稳定？
• RQ4 巡游配体空穴在复杂磁性纹理的形成与稳定中起何种作用？
• RQ5 SrFeO₃ 中的单重q螺旋磁性相与 Sr₂/₃La₁/₃FeO₃ 中的自旋/电荷有序相之间是否存在直接的演化关联？

主要发现

• SrFeO₃ 中的两种多重q螺旋磁性相在 La 掺杂 x < 0.1 时迅速消失，与金属行为的丧失同步发生。
• 第三种螺旋磁性相在 x > 0.1 时保持稳定，并在 x ≈ 1/3 附近连续演化为自旋/电荷有序相。
• 单重q螺旋磁性相的持续存在表明巡游配体空穴在稳定复杂磁性纹理中具有稳定作用。
• 在 x ≈ 1/3 处从螺旋磁性相到自旋/电荷有序相的相变表明电子序的连续演化。
• 数据支持 SrFeO₃ 中的单重q螺旋磁性相与 Sr₂/₃La₁/₃FeO₃ 中的自旋/电荷有序相之间存在关联，其机制可能由配体空穴动力学介导。