[论文解读] Highly frustrated magnetism in SrHo2O4: Coexistence of two types of short-range order

O. Young, Andrew Wildes+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2013

Advanced Condensed Matter Physics被引用 3

一句话总结

本研究揭示，在低温下，SrHo₂O₄表现出两种由两个晶体学不等价Ho³⁺位点引起的短程磁序。利用偏振与非偏振中子衍射，研究发现：在低于0.7 K时，(hk0)平面内存在弹性弥散散射；在Q = (hk±½)处，存在一维散射平面，温度最高可达4.5 K，沿c轴的相关长度达230 Å，表明沿c轴和b轴存在共存的反铁磁自旋排列。

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.

研究动机与目标

• 研究SrHo₂O₄在低温下的磁结构，该材料为几何阻挫磁体，在0.05 K以下无长程磁序。
• 确定在中子衍射数据中观察到的两种不同短程磁序的性质与起源。
• 通过能量分辨测量，澄清弥散散射特征是否源于弹性或非弹性过程。
• 将观察到的磁关联与原胞中两个晶体学不等价的Ho³⁺位点联系起来。

提出的方法

• 在ISIS和ILL设施使用单晶中子衍射，结合非偏振与偏振中子进行测量。
• 在三个正交倒易空间平面：(hk0)、(h0l)和(0kl)上收集数据，以完整映射磁散射。
• 在D10衍射仪上使用垂直聚焦热解石墨（PG）单色器测量能量分辨率，并确认散射的弹性性质。
• 采用洛伦兹分布峰拟合分析弥散散射，提取半高宽（FWHM）并评估能量分辨率。
• 对比二维面积探测器与单色器配置的数据，验证弥散特征的弹性特性。
• 将磁散射图样与晶体结构相关联，特别关注Pnam空间群中两个不同的Ho³⁺位点。

实验结果

研究问题

• RQ1 SrHo₂O₄中两种不同短程磁序的成因是什么？它们如何在无长程磁序的情况下共存？
• RQ2 弥散散射特征是弹性还是非弹性？这对磁关联的动力学特性有何含义？
• RQ3 在倒易空间中，这两种磁序的相关长度与空间范围有何差异？
• RQ4 这两种磁序是否可归因于原胞中两个晶体学不等价的Ho³⁺位点？
• RQ5 为何一种弥散散射在较高温度下（最高达4.5 K）持续存在，而另一种仅在低于0.7 K时出现？

主要发现

• SrHo₂O₄中存在两种共存的短程磁序：低于0.7 K时在(hk0)平面内出现弥散散射，以及在Q = (hk±½)处出现平面状弥散散射，最高可达4.5 K。
• (hk0)平面的弥散散射中心位于k = 0，其在a-b平面的相关长度为L ≈ 150 Å，沿c轴为L ≈ 190 Å。
• 在(hk±½)处的平面弥散散射在最低温下沿c轴的相关长度达L ≈ 230 Å，表明其具有一维特征。
• 两种弥散散射均在单色器能量分辨率范围内为弹性散射，不同扫描的FWHM值分别为~0.05 Å⁻¹和~0.03 Å⁻¹。
• 偏振中子测量结果证实，(hk0)散射涉及沿c轴反铁磁耦合的自旋，而(hk±½)散射涉及沿b轴排列的自旋。
• 这两种磁序的共存可归因于Pnam原胞中两个晶体学不等价的Ho³⁺位点，其分别形成不同的磁关联。