Revisiter la structure magnétique de l'Holmium à haute pression en utilisant la diffraction des neutrons

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12168 (2023) Citer cet article

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Des expériences de diffraction de neutrons à basse température à \(P= 8\) GPa ont été menées pour étudier les structures magnétiques de l'holmium métallique à haute pression en utilisant un diffractomètre à haut flux à long espacement d et une cellule de presse Paris-Édimbourg à l'intérieur d'un cryostat. . Nous constatons qu'à \(P=8\) GPa et \(T=5\) K, aucun changement de symétrie nucléaire n'est observé, conservant ainsi la symétrie hexagonale fermée (hcp) à haute pression. Nos données de diffraction neutronique confirment que l’état ferromagnétique n’existe pas. La structure magnétique correspondant à l'ordre hélimagnétique, qui survit jusqu'à 5 K, est entièrement décrite par le formalisme du groupe magnétique du superespace. Ces résultats sont cohérents avec ceux publiés précédemment à partir d'expériences de magnétisation.

Le magnétisme des électrons itinérants1 a joué un rôle important dans la physique de la matière condensée pour expliquer les propriétés des métaux ferromagnétiques. En particulier, dans les métaux de transition 3D à base de Fe, Co et Ni, le mécanisme responsable de leur ferromagnétisme peut être compris dans le modèle de Stoner2.

D'autre part, le ferromagnétisme des métaux lanthanides à électrons 4f, tels que Gd, Tb, Dy, Ho, Er et Tm, s'explique par l'interaction Ruderman – Kasuya – Kittle – Yosida (RKKY) entre des moments localisés du Électrons 4f médiés par les électrons de conduction3,4,5. L'oscillation spatialement amortie de la polarisation de spin des électrons de conduction est responsable de la compétition entre les interactions ferromagnétiques (FM) et antiferromagnétiques (AFM), qui aboutissent souvent à une structure hélimagnétique (HM) incommensurable.

La constante d'interaction RKKY (\(J_{{{\text{RKKY}}}}\)) est très sensible aux contractions subtiles du réseau qui se produisent à basse température. Cela pourrait déstabiliser l’état HM et donner lieu à un état fondamental FM. Ci-après, les températures de transition magnétique entre les états FM et HM et entre les états HM et paramagnétique (PM) sont notées \(T_{\text{C}}\) et \(T_{\text{N}}\ ), respectivement.

La structure de tous les métaux 4f-lanthanide FM est hexagonale fermée, hcp, avec une unité d'empilement ABA à pression ambiante (AP), et présente les transformations structurelles dans la séquence hcp (ABA) \(\rightarrow\) de type Sm (ABABCBCACA ) \(\rightarrow\) double-hcp (dhcp) (ABACA) \(\rightarrow\) fcc (ABCA) \(\rightarrow\) trigonal sous pression croissante6,7.

L'évolution des propriétés magnétiques avec les transformations structurelles des métaux 4f-lanthanides a été étudiée théoriquement8 et rapportée expérimentalement par caractérisation magnétique9,10,11,12,13, résistivité électrique14,15,16,17,18,19,20, neutrons. diffraction14,16,21,22,23,24,25, diffraction des rayons X26 et spectroscopie Mössbauer27. En particulier, des expériences de diffraction de neutrons ont été utilisées avec succès pour étudier les phases magnétiques du métal Ho à hautes pressions et températures variables, comme nous le résumons brièvement dans le paragraphe suivant.

La première expérience de diffusion de neutrons dans ce métal a été réalisée à AP par Koehler et al.28. Ils ont rapporté que les moments magnétiques Ho forment une hélice du plan basal en dessous de \(T_{\text{N}}=133\) K, et une configuration conique, avec un moment magnétique net parallèle à l'axe c, en dessous de \(T_{ \text{C}}=20\) K, en accord avec les expériences neutroniques ultérieures29,30. En 1968, Umebayashi et al.21 ont étudié Tb et Ho à des pressions inférieures à 1 GPa et à des températures supérieures à 80 K, où les dépendances à la pression de \(T_{\text{N}}\) et l'angle de virage hélicoïdal ont été mesurés. Il a été constaté que l’ordre HM est déplacé vers des températures plus basses lorsque la pression augmente. En 1988, Achiwa et al.31 ont étudié le métal Ho jusqu'à 2,1 GPa dans la plage de température de 10 K à \(T_{\text{N}}\). L'évolution de l'angle de pas hélicoïdal avec la température a été trouvée en accord avec la référence 21 pour \(P=0,6\) GPa, tandis que pour des pressions plus élevées, les valeurs de l'angle ont augmenté, montrant une valeur de verrouillage inférieure à 20 K.