Competing spin modulations in the magnetically frustrated semimetal EuCuSb

磁気的にフラストレートした半金属EuCuSbにおけるスピン変調の競合

高橋 英史*; 青野 快*; 南部 雄亮*; 鬼柳 亮嗣  ; 野本 拓也*; 坂野 昌人*; 石坂 香子*; 有田 亮太郎*; 石渡 晋太郎*

Takahashi, Hidefumi*; Aono, Kai*; Nambu, Yusuke*; Kiyanagi, Ryoji; Nomoto, Takuya*; Sakano, Masato*; Ishizaka, Kyoko*; Arita, Ryotaro*; Ishiwata, Shintaro*

六方晶層状構造を有する遍歴磁石EuCuSbの競合する磁気基底状態を、単結晶試料を用いた磁化、抵抗率および中性子回折によって測定した。EuCuSbは、バンド計算と角度分解光電子分光法によって3次元の半金属バンド構造を持つことがわかっており、常磁性状態でのほぼ等方性の金属伝導率と一致している。一方、反強磁性転移温度(=8.5K)以下では、特にc軸に沿った抵抗率が大幅な増加を示し、伝導電子に結合した異方的な磁気秩序の出現を示唆する。中性子回折実験の結果、各層内で強磁性的に秩序化するEuスピンが、以下ではc軸に沿ってコリニアに変調し、(6K)以下では、部分的にらせんスピン変調が出現することがわかった。異常な磁気抵抗の観測に基づき、中心対称構造を持つフラストレーションのあるHeisenberg-likeなスピン系に固有の基底状態の競合する性質について議論する。

The competing magnetic ground states of the itinerant magnet EuCuSb, which has a hexagonal layered structure, were studied via magnetization, resistivity, and neutron-diffraction measurements on single-crystal samples. EuCuSb has a three-dimensional semimetallic band structure as confirmed by band calculation and angle-resolved photoelectron spectroscopy, consistent with the nearly isotropic metallic conductivity in the paramagnetic state. However, below the antiferromagnetic transition temperature of (8.5 K), the resistivity, especially along the hexagonal axis, increases significantly. This implies the emergence of anisotropic magnetic ordering coupled to the conducting electrons. Neutron-diffraction measurements show that the Eu spins, which order ferromagnetically within each layer, are collinearly modulated (up-up-down-down) along the hexagonal axis below , followed by the partial emergence of helical spin modulation below (6 K). Based on the observation of anomalous magnetoresistance with hysteretic behavior, we discuss the competing nature of the ground state inherent in a frustrated Heisenberg-like spin system with a centrosymmetric structure.