Revisitando a estrutura magnética do Hólmio em alta pressão usando difração de nêutrons

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12168 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Experimentos de difração de nêutrons de baixa temperatura em \(P= 8\) GPa foram conduzidos para investigar as estruturas magnéticas do hólmio metálico em altas pressões, empregando um difratômetro de alto fluxo com espaçamento d longo e uma célula de prensa Paris-Edimburgo dentro de um criostato . Descobrimos que em \(P=8\) GPa e \(T=5\) K, nenhuma mudança de simetria nuclear é observada, mantendo, portanto, a simetria hexagonal compactada fechada (hcp) em alta pressão. Nossos dados de difração de nêutrons confirmam que o estado ferromagnético não existe. A estrutura magnética correspondente à ordem helimagnética, que sobrevive até 5 K, é totalmente descrita pelo formalismo de grupo magnético do superespaço. Estes resultados são consistentes com aqueles publicados anteriormente utilizando experimentos de magnetização.

O magnetismo dos elétrons itinerantes1 desempenhou um papel importante na física da matéria condensada para explicar as propriedades dos metais ferromagnéticos. Em particular, nos metais de transição 3d baseados em Fe, Co e Ni, o mecanismo responsável pelo seu ferromagnetismo pode ser entendido dentro do modelo de Stoner2.

Por outro lado, o ferromagnetismo nos metais lantanídeos de elétrons 4f, como Gd, Tb, Dy, Ho, Er e Tm, é explicado pela interação Ruderman – Kasuya – Kittle – Yosida (RKKY) entre momentos localizados do Elétrons 4f mediados pelos elétrons de condução3,4,5. A oscilação espacialmente amortecida da polarização do spin dos elétrons de condução é responsável pela competição entre as interações ferromagnéticas (FM) e antiferromagnéticas (AFM), que muitas vezes resulta em uma estrutura helimagnética incomensurável (HM).

A constante de interação RKKY (\(J_{{{\text{RKKY}}}}\)) é altamente sensível a sutis contrações da rede que acontecem em baixas temperaturas. Isto poderia desestabilizar o estado HM, dando lugar a um estado fundamental FM. A seguir, as temperaturas de transição magnética entre os estados FM e HM e entre os estados HM e paramagnético (PM) são denotadas como \(T_{\text{C}}\) e \(T_{\text{N}}\ ), respectivamente.

A estrutura de todos os metais 4f-lantanídeos FM é hexagonal fechada, hcp, com unidade de empilhamento ABA à pressão ambiente (AP), e exibe as transformações estruturais na sequência hcp (ABA) \(\rightarrow\) tipo Sm (ABABCBCACA ) \(\rightarrow\) duplo-hcp (dhcp) (ABACA) \(\rightarrow\) fcc (ABCA) \(\rightarrow\) trigonal sob pressão crescente6,7.

A evolução das propriedades magnéticas com as transformações estruturais em metais 4f-lantanídeos foi estudada teoricamente8 e relatada experimentalmente por caracterização magnética9,10,11,12,13, resistividade elétrica14,15,16,17,18,19,20, nêutrons difração14,16,21,22,23,24,25, difração de raios X26 e espectroscopia Mössbauer27. Em particular, experimentos de difração de nêutrons foram empregados com sucesso para estudar as fases magnéticas do metal Ho em altas pressões e temperaturas variáveis, como resumiremos brevemente no próximo parágrafo.

O primeiro experimento de espalhamento de nêutrons neste metal foi realizado na AP por Koehler et al.28. Eles relataram que os momentos magnéticos Ho formam uma hélice plana basal abaixo de \(T_{\text{N}}=133\) K, e uma configuração cônica, com um momento magnético líquido paralelo ao eixo c, abaixo de \(T_{ \text{C}}=20\) K, de acordo com experimentos posteriores com nêutrons29,30. No ano de 1968, Umebayashi et al.21 estudaram Tb e Ho em pressões abaixo de 1 GPa e temperaturas acima de 80 K, onde foram medidas as dependências de pressão de \(T_{\text{N}}\) e o ângulo de giro helicoidal. Verificou-se que a ordem HM é deslocada para temperaturas mais baixas quando a pressão é aumentada. Em 1988, Achiwa et al.31 estudaram o metal Ho até 2,1 GPa na faixa de temperatura de 10 K a \(T_{\text{N}}\). A evolução do ângulo de passo helicoidal com a temperatura foi encontrada de acordo com a Ref.21 para \(P=0,6\) GPa, enquanto para pressões mais altas os valores do ângulo aumentaram mostrando um valor de lock-in abaixo de 20 K.