[论文解读] Nature of the Magnetic Order in BaMn2As2

Yogesh Singh, M. A. Green+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2009

Iron-based superconductors research参考文献 32被引用 77

一句话总结

中子衍射研究显示，BaMn2As2中存在一种共线的G型反铁磁序，Mn²⁺自旋矩（S = 5/2）沿c轴排列，10 K时有序磁矩为3.88(4) μB，Néel转变温度为TN = 625(1) K，为二级相变。与铁基砷化物不同，磁性有序过程中未伴随结构畸变，表明最近邻交换作用占主导，而非次近邻项。

ABSTRACT

Neutron diffraction measurements have been performed on a powder sample of BaMn2As2 over the temperature T range from 10 K to 675 K. These measurements demonstrate that this compound exhibits collinear antiferromagnetic ordering below the Neel temperature T_N = 625(1) K. The ordered moment mu = 3.88(4) mu_B/Mn at T = 10 K is oriented along the c axis and the magnetic structure is G-type, with all nearest-neighbor Mn moments antiferromagnetically aligned. The value of the ordered moment indicates that the oxidation state of Mn is Mn^{2+} with a high spin S = 5/2. The T dependence of mu suggests that the magnetic transition is second-order in nature. In contrast to the closely related AFe2As2 (A = Ca, Sr, Ba, Eu) compounds, no structural distortion is observed in the magnetically ordered state of BaMn2As2.

研究动机与目标

• 利用中子衍射确定BaMn2As2中的磁结构及其有序磁矩。
• 阐明BaMn2As2中的磁性有序转变是首阶还是第二阶，与AFe2As2化合物进行对比。
• 研究最近邻与次近邻交换作用在决定磁性基态中的角色。
• 评估磁性有序是否在BaMn2As2中诱导结构畸变，与AFe2As2化合物形成对比。
• 将BaMn2As2的磁性性质与AFe2As2及La2CuO4进行比较，以理解磁性与超导性的关系。

提出的方法

• 使用NIST中子研究中心的BT1衍射仪对BaMn2As2样品进行粉末中子衍射，波长λ = 2.0782 Å。
• 利用GSAS软件套件对中子衍射数据进行Rietveld精修，以提取磁性和结构参数。
• 测量从10 K到675 K的温度依赖性磁散射，以追踪有序磁矩和相变的演化。
• 通过比较Néel转变前后晶格参数，分析结构相变的缺失。
• 采用海森堡交换作用的理论模型，解释BaMn2As2中最近邻交换作用相对于次近邻交换作用的主导性。
• 将结果与铁基砷化物（AFe2As2）及La2CuO4进行对比，以定位磁性行为并评估超导潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 BaMn2As2在Néel温度以下的磁结构是什么？
• RQ2 BaMn2As2中Mn²⁺有序磁矩的大小和方向是什么？
• RQ3 BaMn2As2中的磁性相变是首阶还是第二阶？
• RQ4 BaMn2As2中的磁性有序是否诱导结构畸变，如在AFe2As2化合物中所见？
• RQ5 BaMn2As2中最近邻与次近邻交换作用的相对强度与铁基砷化物相比如何？

主要发现

• BaMn2As2表现出一种所有最近邻Mn自旋矩呈反平行排列的共线G型反铁磁序。
• 10 K时每个Mn²⁺离子的有序磁矩为3.88(4) μB，方向沿c轴。
• Néel温度TN为625(1) K，由温度依赖性中子衍射数据确定。
• 有序磁矩的温度依赖性表明为第二阶磁性相变。
• 在10 K至675 K的磁有序态中，未观察到结构畸变或晶格变化。
• BaMn2As2的磁性基态由最近邻交换作用主导，与AFe2As2化合物中次近邻交换作用占主导形成鲜明对比。