[论文解读] Ising versus XY anisotropy in frustrated R$_{2}$Ti$_{2}$O$_7$ compounds as seen by polarized neutrons

Huibo Cao, Arsen Gukasov+4 more|ArXiv.org|Apr 28, 2009

Advanced Condensed Matter Physics被引用 13

一句话总结

本研究利用极化中子衍射直接测量了R₂Ti₂O₇尖晶石化合物中的局域磁化率张量，揭示出场致磁序源于晶体场、交换作用和偶极相互作用的各向异性分子场。关键发现是分子场张量具有强烈的各向异性，其铁磁或反铁磁分量取决于稀土离子，解释了该系列中从伊辛型到XY型行为的转变。

ABSTRACT

We studied the field induced magnetic order in R$_{2}$Ti$_{2}$O$_7$ pyrochlore compounds with either uniaxial (R=Ho, Tb) or planar (R=Er, Yb) anisotropy, by polarized neutron diffraction. The determination of the local susceptibility tensor \{$χ_\parallel,χ_\perp$\} provides a universal description of the field induced structures in the paramagnetic phase (2-270 K), whatever the field value (1-7 T) and direction. Comparison of the thermal variations of $χ_\parallel$ and $χ_\perp$ with calculations using the rare earth crystal field shows that exchange and dipolar interactions must be taken into account. We determine the molecular field tensor in each case and show that it can be strongly anisotropic.

研究动机与目标

• 确定受挫的R₂Ti₂O₇尖晶石中局域磁化率张量，该参数因四重对称轴的存在而无法通过宏观测量获得。
• 量化单离子各向异性、交换作用和偶极相互作用在选择稀土尖晶石基态中的平衡关系。
• 解决这些化合物中伊辛型或XY型行为主要源于晶体场效应，还是有效交换和偶极耦合。
• 通过各向异性的位点特异性磁化率张量，为R₂Ti₂O₇系列中的场致磁序提供普适描述。

提出的方法

• 在2 K至270 K的温度范围内，对Ho₂Ti₂O₇、Tb₂Ti₂O₇、Er₂Ti₂O₇和Yb₂Ti₂O₇的单晶样品施加1 T磁场（沿[110]方向），进行了极化中子衍射实验。
• 在ORPHÉE反应堆上，利用Super-6T2和5C1谱仪测量了极化中子的翻转比，中子极化度较高（P₀ ≈ 0.91–0.98）。
• 使用CHILSQ和CCSL软件对翻转比进行最小二乘法精修，提取了每个稀土离子的局域磁化率张量分量χ∥和χ⊥。
• 基于非弹性中子散射独立测定的晶体场参数，进行了磁化率张量的理论计算，并引入各向异性分子场张量λ以拟合实验数据。
• 将分子场张量λ分解为分量λ∥和λ⊥，以量化交换和偶极相互作用的各向异性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有不同稀土离子的R₂Ti₂O₇化合物中，局域磁化率张量χ如何随温度变化？
• RQ2 晶体场效应是否足以解释χ∥和χ⊥的观测温度依赖性？
• RQ3 交换作用和偶极相互作用在决定这些受挫体系中分子场张量λ各向异性方面起什么作用？
• RQ4 为何某些化合物（如Yb₂Ti₂O₇）尽管具有平面晶体场各向异性，却表现出强烈的铁磁性λ∥？

主要发现

• 在所有研究的R₂Ti₂O₇化合物中，分子场张量λ均表现出强烈的各向异性，λ∥与λ⊥在大小和符号上均显著不同。
• 对于Ho₂Ti₂O₇，λ∥ = 0.05(5) T/μB，λ⊥ = –（未测量），与伊辛型行为及自旋冰短程有序一致。
• 对于Tb₂Ti₂O₇，λ∥ = –0.05(2) T/μB，λ⊥ = –1.0(2) T/μB，表明存在反铁磁耦合及强平面各向异性，解释了其在外场下转变为反铁磁有序。
• 对于Er₂Ti₂O₇，λ∥ = –0.15(1) T/μB，λ⊥ = –0.45(5) T/μB，表明平面内交换作用更强，强化了其XY型特征。
• 对于Yb₂Ti₂O₇，λ∥ = 2.5(5) T/μB，λ⊥ ≈ 0.00(5) T/μB，表明沿<111>方向存在强铁磁分量，尽管平面各向异性较弱。
• 包含各向异性λ张量是定量再现实验χ(T)数据的必要条件，表明在这些体系中交换和偶极相互作用本质上具有各向异性。