[论文解读] Effect of uniaxial strain on the structural and magnetic phase transitions in BaFe$_2$As$_2$

Chetan Dhital, Z. Yamani+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2011

Magnetic Properties of Alloys被引用 7

一句话总结

本研究利用中子散射技术表明，沿BaFe₂As₂的b轴施加单轴压缩应变会显著移动并展宽结构相变（T_S）和反铁磁相变（T_AF）的转变温度，其中T_S从约135 K提升至约155 K，T_AF从约115 K提升至约145 K。结果表明，应变诱导的去孪效应稳定了更高温度下的长程磁序，暗示在名义T_S以上观察到的面内输运各向异性源于应变下磁序和结构序参数的重正化，而非仅由本征向列涨落引起。

ABSTRACT

We report neutron scattering experiments probing the influence of uniaxial strain on both the magnetic and structural order parameters in the parent iron pnictide compound, BaFe$_2$As$_2$. Our data show that modest strain fields along the in-plane orthorhombic b-axis can affect significant changes in phase behavior simultaneous to the removal of structural twinning effects. As a result, we demonstrate in BaFe$_2$As$_2$ samples detwinned via uniaxial strain that the in-plane C$_4$ symmetry is broken by extit{both} the structural lattice distortion extit{and} long-range spin ordering at temperatures far above the nominal (strain-free), phase transition temperatures. Surprising changes in the magnetic order parameter of this system under relatively small strain fields also suggest the inherent presence of magnetic domains fluctuating above the strain-free ordering temperature in this material.

研究动机与目标

• 研究单轴应变如何影响母体铁砷化物BaFe₂As₂中的结构相变与磁性相变。
• 确定在名义T_S以上观察到的应变诱导面内输运各向异性是否源于本征向列序，还是相变温度的移动。
• 阐明应变在去孪过程中的作用及其对长程反铁磁序与结构序起始温度的影响。
• 区分应变诱导的磁性涨落畴稳定化与磁性-晶格直接耦合效应对磁序的影响。

提出的方法

• 在HFIR和Chalk River分别使用HB-1A和N5三轴谱仪进行中子散射实验，以探测体材料的磁性和结构响应。
• 通过带有Bellville垫圈的压紧夹具沿面内正交晶系的b轴施加单轴压缩应变，并监测力。
• 通过(2,0,0)结构衍射峰的径向扫描提取结构相变温度T_S，采用高斯拟合。
• 从(1,0,1)衍射峰提取磁序参数，并采用平均场拟合M² = A(1 - T/T_AF)以确定T_AF的起始温度。
• 应变逐步增加至约1 MPa，数据在全温度范围内采集，以观察相变的展宽行为。
• 另测量一个真空退火样品，以排除缺陷对磁尾的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 沿b轴施加单轴应变如何影响BaFe₂As₂中结构相变起始温度T_S？
• RQ2 施加应变是否会使长程反铁磁序的起始温度T_AF高于无应变状态下的值？如果是，原因是什么？
• RQ3 在去孪BaFe₂As₂中观察到的面内输运各向异性在多大程度上源于应变下T_S与T_AF的重正化，而非本征向列序？
• RQ4 应变下增强的磁序参数是由于磁性涨落畴的稳定化，还是磁性-晶格直接耦合效应所致？
• RQ5 高应变场是否使T_S与T_AF解耦，表明在应变状态下二者近乎同时转变的特性发生破坏？

主要发现

• 沿b轴施加单轴压缩应变使结构相变温度T_S从无应变样品中的约135 K提升至应变超过1 MPa时的约155 K。
• 反铁磁序起始温度T_AF从无应变BaFe₂As₂中的约115 K提升至高应变下的约145 K，表明磁性相变温度显著移动。
• 在应变作用下，T_S与T_AF均出现展宽，演变为类似二级相变的弥散转变，而非尖锐的一级相变。
• 在高应变（>1 MPa）下，磁序参数完全填充，无法区分展宽尾部与体相起始，表明磁序得到完全稳定。
• 应变下增强的磁尾并非由缺陷引起，因真空退火样品未显示此类变化，表明应变诱导的磁性畴稳定化是主导机制。
• 结果表明，去孪BaFe₂As₂中在名义T_S以上观察到的面内输运各向异性主要源于应变下重正化的磁序与结构相变，而非仅本征向列序。