Новый взгляд на магнитную структуру гольмия при высоком давлении с помощью дифракции нейтронов

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 12168 (2023) Цитировать эту статью

160 доступов

Подробности о метриках

Эксперименты по низкотемпературной нейтронной дифракции при \(P = 8\) ГПа были проведены для исследования магнитных структур металлического гольмия при высоких давлениях с использованием дифрактометра с высоким потоком с длинным d-промежутком и пресс-камеры Париж-Эдинбург внутри криостата. . Мы обнаружили, что при \(P=8\) ГПа и \(T=5\) K никакого изменения симметрии ядра не наблюдается, поэтому сохраняется гексагональная симметрия с закрытой упаковкой (ГПУ) при высоком давлении. Наши данные нейтронографии подтверждают, что ферромагнитного состояния не существует. Магнитная структура, соответствующая гелимагнитному порядку, сохраняющемуся до 5 К, полностью описывается формализмом магнитной суперпространственной группы. Эти результаты согласуются с результатами, опубликованными ранее с использованием экспериментов по намагничиванию.

Магнетизм коллективизированных электронов1 сыграл важную роль в физике конденсированного состояния для объяснения свойств ферромагнитных металлов. В частности, в 3d-переходных металлах на основе Fe, Co и Ni механизм, ответственный за их ферромагнетизм, можно понять в рамках модели Стонера2.

С другой стороны, ферромагнетизм в 4f-электронных металлах-лантаноидах, таких как Gd, Tb, Dy, Ho, Er и Tm, объясняется взаимодействием Рудермана–Касуи–Киттла–Йосиды (РККИ) между локализованными моментами 4f-электроны, опосредованные электронами проводимости3,4,5. Пространственно затухающие колебания спиновой поляризации электронов проводимости ответственны за конкуренцию между ферромагнитным (ФМ) и антиферромагнитным (АФМ) взаимодействиями, что часто приводит к несоизмеримой гелимагнитной структуре (ГМ).

Константа взаимодействия РККИ (\(J_{{{\text{RKKY}}}}\)) очень чувствительна к тонким сжатиям решетки, которые происходят при низких температурах. Это может дестабилизировать состояние HM, уступив место основному состоянию FM. Здесь и далее температуры магнитного перехода между состояниями ФМ и ГМ, а также между состояниями ГМ и парамагнитными (ПМ) состояниями обозначаются как \(T_{\text{C}}\) и \(T_{\text{N}}\ ), соответственно.

Структура всех 4f-лантанидов FM-металлов представляет собой гексагональную закрытоупакованную ГПУ с блоком укладки ABA при окружающем давлении (AP) и демонстрирует структурные превращения в последовательности ГПУ (ABA) \(\rightarrow\) Sm-типа (ABABCBCACA) ) \(\rightarrow\) двойной ГПУ (dhcp) (ABACA) \(\rightarrow\) ГЦК (ABCA) \(\rightarrow\) тригональный при возрастающем давлении6,7.

Развитие магнитных свойств со структурными превращениями в металлах 4f-лантанидов изучалось теоретически8 и экспериментально сообщалось с помощью магнитных характеристик9,10,11,12,13, электросопротивления14,15,16,17,18,19,20, нейтронного дифракция14,16,21,22,23,24,25, рентгеновская дифракция26 и мессбауэровская спектроскопия27. В частности, эксперименты по дифракции нейтронов были успешно использованы для изучения магнитных фаз металла Ho при высоких давлениях и переменных температурах, как мы кратко суммируем в следующем параграфе.

Первый эксперимент по рассеянию нейтронов в этом металле был выполнен в AP Кёлером и др.28. Они сообщили, что магнитные моменты Ho образуют базисную плоскую спираль ниже \(T_{\text{N}}=133\) K и коническую конфигурацию с чистым магнитным моментом, параллельным оси c, ниже \(T_{ \text{C}}=20\) K, что согласуется с более поздними нейтронными экспериментами29,30. В 1968 году Умебаяши и др.21 исследовали Tb и Ho при давлениях ниже 1 ГПа и температурах выше 80 К, где были измерены зависимости \(T_{\text{N}}\) от давления и угла поворота спирали. Обнаружено, что с ростом давления упорядочение ТМ смещается в сторону более низких температур. В 1988 г. Ачива и др.31 исследовали металл Ho до давления 2,1 ГПа в диапазоне температур от 10 К до \(T_{\text{N}}\. Эволюция питч-угла спирали с температурой была обнаружена в соответствии с [21] для \(P=0,6\) ГПа, тогда как для более высоких давлений значения угла увеличивались, показывая значение блокировки ниже 20 К.