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Magnetic structure and quadrupolar order parameter driven by geometrical frustration effect in NdB$$_4$$

幾何学的フラストレーションがもたらすNdB$$_4$$の磁気構造、および、四極子秩序変数

山内 宏樹; 目時 直人; 綿貫 竜太*; 鈴木 和也*; 深澤 裕; Chi, S.*; Fernandez-Baca, J. A.*

Yamauchi, Hiroki; Metoki, Naoto; Watanuki, Ryuta*; Suzuki, Kazuya*; Fukazawa, Hiroshi; Chi, S.*; Fernandez-Baca, J. A.*

$$T_{rm 0}=17.2$$K、$$T_{rm N1}=7.0$$K、and $$T_{rm N2}=4.8$$Kで相転移を示すNdB$$_4$$の中間秩序相の磁気構造、および、秩序変数を決定するために、中性子回折実験を行った。II相($$T_{rm N1} < T < T_{rm 0}$$)で観測された回折パターンは、正方晶$$ab$$面内の静的磁気モーメントによる秩序構造を仮定することでよく説明できた。また、II相の磁気構造が二つのノンコリニアな反強磁性構造("all-in/all-out"型と"vortex"型)の線形結合で一意的に説明できることを見出した。この特異な磁気構造が実現する主要素として、我々は、「(1)磁気相互作用の優位性を抑制する幾何学的フラストレーションの効果、(2)ノンコリニアな磁気構造と四極子秩序を安定化させる四極子相互作用の重要性」の二つを提唱した。

Neutron diffraction experiments have been carried out to characterize the magnetic structures and order parameters in an intermediate phase of NdB$$_4$$ showing the successive phase transitions at $$T_{rm 0} = 17.2$$ K, $$T_{rm N1} = 7.0$$ K, and $$T_{rm N2} = 4.8$$ K. The observed patterns in phase II ($$T_{rm N1} < T < T_{rm 0}$$) are successfully explained by postulating a planar structure with static magnetic moments in the tetragonal $$ab$$-plane. We have found that the magnetic structure in phase II can be uniquely determined to be a linear combination of noncolinear "all-in/all-out"-type and "vortex"-type antiferromagnetic structures. We propose that the quadrupolar interaction holds the key to stabilizing the noncollinear magnetic structure and quadrupolar order. Here, the frustration in the Shastry - Sutherland lattice would play an essential role in suppressing the dominance of the magnetic interaction.

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パーセンタイル:32.4

分野:Physics, Multidisciplinary

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