[论文解读] From valence fluctuations to long-range magnetic order in EuPd$_2$(Si$_{1-x}$Ge$_x$)$_2$ single crystals

Ian Marius Peters, Kristin Kliemt+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2023

Rare-earth and actinide compounds被引用 5

一句话总结

本研究报道了在EuPd₂(Si₁₋ₓGeₓ)₂系列中成功采用柴可拉斯基法生长出单晶，证实当x ≈ 0.10时，系统从价态涨落转变为长程反铁磁有序。该转变表现为价态交叉温度从~160 K显著降低至~60 K，同时出现磁各向异性，其易轴方向垂直于c轴，且在价态涨落过程中伴随1.8%的晶格常数变化，表明电子态与晶格之间存在强耦合。

ABSTRACT

EuPd$_2$Si$_2$ is a valence-fluctuating system undergoing a temperature-induced valence crossover at $T'_V\approx160\,$K. We present the successful single crystal growth using the Czochralski method for the substitution series EuPd$_2$(Si$_{1-x}$Ge$_x$)$_2$, with substitution levels $x\leq 0.15$. A careful determination of the germanium content revealed that only half of the nominal concentration is build into the crystal structure. From thermodynamic measurements it is established that $T'_V$ is strongly suppressed for small substitution levels and antiferromagnetic order from stable divalent europium emerges for $x\gtrsim 0.10$. The valence transition is accompanied by a pronounced change of the lattice parameter $a$ of order 1.8%. In the antiferromagnetically ordered state below $T_N = 47$ K, we find sizeable magnetic anisotropy with an easy plane perpendicular to the crystallographic c direction. An entropy analysis revealed that no valence fluctuations are present for the magnetically ordered materials. Combining the obtained thermodynamic and structural data, we construct a concentration-temperature phase diagram demonstrating a rather abrupt change from a valence-fluctuating to a magnetically-ordered state in EuPd$_2$(Si$_{1-x}$Ge$_x$)$_2$.

研究动机与目标

• 采用柴可拉斯基法生长高质量的EuPd₂(Si₁₋ₓGeₓ)₂单晶，以实现精确的热力学与结构分析。
• 研究Ge取代量(x)变化下，EuPd₂(Si₁₋ₓGeₓ)₂中价态涨落与磁序演化的规律。
• 确定系统从价态涨落转变为长程反铁磁有序行为的临界浓度x_c。
• 阐明晶格常数与熵变在区分价态涨落态与磁有序态中的作用。
• 评估该体系作为量子临界点附近量子临界行为与临界弹性行为探测探针的潜力。

提出的方法

• 采用柴可拉斯基晶体生长法制备了x ≤ 0.15的EuPd₂(Si₁₋ₓGeₓ)₂单晶。
• 利用能谱分析(EDX)测定实际掺入晶体结构中的Ge含量。
• 通过量热法与磁化率测量进行热力学分析，以识别价态交叉温度与反铁磁相变温度。
• 利用X射线衍射测量晶格常数，追踪温度依赖的结构变化。
• 基于磁性与电子热容数据进行熵分析，评估价态涨落的存在与否。
• 综合热力学、结构与磁性数据，构建浓度-温度相图。

实验结果

研究问题

• RQ1 在EuPd₂(Si₁₋ₓGeₓ)₂中，Ge取代如何影响价态交叉温度T′_V以及长程磁序的出现？
• RQ2 实际掺入晶格中的Ge浓度与名义组成相比如何？该偏差如何影响相变行为？
• RQ3 随着Ge含量增加，该体系是否表现出一级价态相变或类似交叉的相变行为？
• RQ4 反铁磁有序态中的磁各向异性本质是什么？其与晶体学c轴的关系如何？
• RQ5 电子自由度（价态涨落）与晶格自由度（晶格常数变化）之间的耦合程度如何？

主要发现

• 实际掺入晶体结构中的Ge含量仅为名义浓度的一半左右，表明显著偏离理想固溶体行为。
• 随着Ge含量增加，价态交叉温度T′_V显著降低，从EuPd₂Si₂中的~160 K降至x ≈ 0.10时的~60 K。
• 在x ≈ 0.105时，于T_N = 47 K处出现清晰的反铁磁相变，标志着系统由价态涨落态向长程磁有序态的转变。
• 观察到磁各向异性，其易平面垂直于四方晶系的c轴，表明有序态中存在各向异性交换相互作用。
• 在x = 0.105样品中，磁熵变接近R·ln(8)，证实价态涨落的缺失，支持存在明确的磁基态。
• 在涨落样品的价态交叉过程中，观察到晶格常数a发生连续1.8%的变化，表明存在强电子-晶格耦合；而有序样品中未出现此类异常。