Rivisitazione della struttura magnetica dell'olmio ad alta pressione utilizzando la diffrazione di neutroni

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12168 (2023) Citare questo articolo

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Sono stati condotti esperimenti di diffrazione di neutroni a bassa temperatura a \(P= 8\) GPa per studiare le strutture magnetiche dell'olmio metallico ad alte pressioni impiegando un lungo diffrattometro ad alto flusso con spaziatura d e una cella di stampa Parigi-Edimburgo all'interno di un criostato . Troviamo che a \(P=8\) GPa e \(T=5\) K non si osserva alcun cambiamento di simmetria nucleare, mantenendo quindi la simmetria esagonale a pacchetto chiuso (hcp) ad alta pressione. I nostri dati di diffrazione dei neutroni confermano che lo stato ferromagnetico non esiste. La struttura magnetica corrispondente all'ordine elimagnetico, che sopravvive fino a 5 K, è completamente descritta dal formalismo del gruppo magnetico del superspazio. Questi risultati sono coerenti con quelli precedentemente pubblicati utilizzando esperimenti di magnetizzazione.

Il magnetismo degli elettroni itineranti1 ha svolto un ruolo importante nella fisica della materia condensata per spiegare le proprietà dei metalli ferromagnetici. In particolare, nei metalli di transizione 3d basati su Fe, Co e Ni, il meccanismo responsabile del loro ferromagnetismo può essere compreso all'interno del modello di Stoner2.

D'altra parte, il ferromagnetismo nei metalli lantanidi con 4 elettroni f, come Gd, Tb, Dy, Ho, Er e Tm, è spiegato dall'interazione Ruderman-Kasuya-Kittle-Yosida (RKKY) tra momenti localizzati del Elettroni 4f mediati dagli elettroni di conduzione3,4,5. L'oscillazione spazialmente smorzata della polarizzazione dello spin degli elettroni di conduzione è responsabile della competizione tra le interazioni ferromagnetiche (FM) e antiferromagnetiche (AFM), che spesso si traduce in una struttura elimagnetica (HM) incommensurabile.

La costante di interazione RKKY (\(J_{{{\text{RKKY}}}}\)) è altamente sensibile alle sottili contrazioni del reticolo che si verificano a basse temperature. Ciò potrebbe destabilizzare lo stato HM dando luogo ad uno stato fondamentale FM. Di seguito, le temperature di transizione magnetica tra gli stati FM e HM e tra gli stati HM e paramagnetico (PM) sono indicate come \(T_{\text{C}}\) e \(T_{\text{N}}\ ), rispettivamente.

La struttura di tutti i metalli 4f-lantanidi FM è esagonale chiusa, hcp, con unità di impilamento ABA a pressione ambiente (AP), e mostra trasformazioni strutturali nella sequenza hcp (ABA) \(\rightarrow\) di tipo Sm (ABABCBCACA ) \(\rightarrow\) doppio hcp (dhcp) (ABACA) \(\rightarrow\) fcc (ABCA) \(\rightarrow\) trigonale sotto pressione crescente6,7.

L'evoluzione delle proprietà magnetiche con le trasformazioni strutturali nei metalli 4f-lantanidi è stata studiata teoricamente8 e riportata sperimentalmente mediante caratterizzazione magnetica9,10,11,12,13, resistività elettrica14,15,16,17,18,19,20, neutrone diffrazione14,16,21,22,23,24,25, diffrazione di raggi X26 e spettroscopia Mössbauer27. In particolare, esperimenti di diffrazione di neutroni sono stati impiegati con successo per studiare le fasi magnetiche del metallo Ho ad alte pressioni e temperature variabili, come riassumeremo brevemente nel paragrafo successivo.

Il primo esperimento di diffusione di neutroni in questo metallo è stato eseguito all'AP da Koehler et al.28. Hanno riferito che i momenti magnetici Ho formano un'elica del piano basale sotto \(T_{\text{N}}=133\) K, e una configurazione conica, con un momento magnetico netto parallelo all'asse c, sotto \(T_{ \text{C}}=20\) K, in accordo con successivi esperimenti sui neutroni29,30. Nel 1968, Umebayashi et al.21 studiarono Tb e Ho a pressioni inferiori a 1 GPa e temperature superiori a 80 K, dove furono misurate le dipendenze dalla pressione di \(T_{\text{N}}\) e dell'angolo di rotazione dell'elica. Si è scoperto che l'ordinamento HM viene spostato a temperature più basse quando la pressione aumenta. Nel 1988, Achiwa et al.31 hanno studiato il metallo Ho fino a 2,1 GPa nell'intervallo di temperatura da 10 K a \(T_{\text{N}}\). L'evoluzione dell'angolo del passo dell'elica con la temperatura è stata trovata in accordo con Rif.21 per \(P=0,6\) GPa, mentre per pressioni più elevate i valori dell'angolo sono aumentati mostrando un valore di lock-in inferiore a 20 K.