Crystal and magnetic structure of CrAs under extreme conditions

• Kristall- und magnetische Struktur von CrAs unter extremen Bedingungen

Eich, Andreas; Friese, Karen (Thesis advisor); Roth, Georg (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Schlüsseltechnologien = Key technologies 260
Seite(n)/Artikel-Nr.: viii, 235 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

In den andauernden und weitreichenden Bemühungen, Supraleitung und ihr Zusammenspiel mit Magnetismus zu verstehen, wird Chromarsenid (CrAs) als Modellsystem für die Koexistenz von Supraleitung und Helimagnetismus betrachtet. Die Supraleitung in CrAs wird durch Druck induziert und bildet einen kuppelförmigen Phasenbereich mit einer maximalen Sprungtemperatur von T_c = 2.2 K bei etwa 1 GPa angrenzend an den magnetischen Phasenbereich, wo die magnetische Struktur von CrAs als Doppelhelix beschrieben wird. Da sich die meisten Studien zu CrAs bisher auf makroskopische Eigenschaften konzentrierten, bestand das Hauptziel dieser Arbeit in der Untersuchung der Kristall- und magnetischen Struktur von CrAs bei tiefen Temperaturen und hohen Drücken auf der Grundlage von Röntgen- und Neutronenbeugungsmessungen. Die Kristallstruktur von CrAs wurde bei Umgebungsdruck im Temperaturbereich von 35...400 K und bei Raumtemperatur im Druckbereich bis zu 9.46 GPa mit Synchrotron- und Labor-Röntgenmessungen an Einkristallen untersucht. Für die Gitterparameter bestätigen unsere Ergebnisse die bereits bekannten abrupten Änderungen, die an den magnetostrukturellen Übergang von der paramagnetischen zur magnetisch geordneten Phase bei T_N = 267 K gekoppelt sind. Die damit verbundene große Änderung des Einheitszellvolumens und die daraus resultierende Bildung von Mikrorissen zeigt sich indirekt auch in unterstützenden Messungen des makroskopischen Widerstands über mehrere Kühl/Heiz-Zyklen. Neben diesem bereits bekannten Effekt des Phasenübergangs zeigen unsere Ergebnisse einen zweiten Effekt auf die Mikrostruktur, der sich durch eine ausgeprägte Zwillingsbildung unterhalb der Übergangstemperatur auszeichnet, die auf das spezifische Verhalten der Gitterparameter zurückgeführt wird. Im Gegensatz zum Verhalten bei niedrigen Temperaturen wird kein anomales Verhalten in der Kristallstruktur als Funktion des Drucks bis zu 9.46 GPa beobachtet. Bei der detaillierten Untersuchung der interatomaren Abstände in der Kristallstruktur von CrAs sind die Cr--Cr-Abstände von vorrangigem Interesse, da die Cr-Atome die Träger des magnetischen Moments in der Struktur sind. Es zeigt sich, dass insbesondere ein Abstand ein anomales Verhalten aufweist, indem er innerhalb des paramagnetischen Bereiches -- oberhalb der Übergangstemperatur und bei hohen Drücken -- und in den experimentellen Grenzen nahezu unbeeinflusst von Temperatur und Druck ist, d.h. er bleibt annähernd konstant. Die magnetische Struktur von CrAs wurde in dieser Arbeit erstmals mit Hilfe von Neutronen-Einkristallbeugung untersucht. Das Ergebnis zeigt deutlich, dass das bisher in der Literatur verwendete Modell der magnetischen Struktur von CrAs revidiert werden muss. Basierend auf unseren Einkristalldaten kann das etablierte Doppelhelix-Modell definitiv verworfen werden. Während unsere Daten keine eindeutige Bestimmung des korrekten Modells erlauben, ermitteln wir vier Kandidatenmodelle auf der Grundlage der Übereinstimmung mit den Daten, wozu die niedersymmetrischen magnetischen Superraumgruppen und Einschränkungen des magnetischen Momentes berücksichtigt werden: P2_1[010]|eq.+opt., Pa|eq.+opt., P-1|eq.+opt. und P1|eq.+opt.. Keins der charakteristischen Merkmale des publizierten Doppelhelix-Modells (Einschränkung des Cr-Spins auf eine kristallographische Ebene, Wert des magnetischen Momentes von Cr, Symmetrieabhängigkeit der Cr-Lagen, und lokale antiferromagnetische Ordnung) wird von einem dieser Modelle wiedergegeben. Zusätzlich zu den Einkristallmessungen liefern unterstützende Neutronenbeugungsmessungen an Pulver die Temperaturabhängigkeit des Propagationsvektors der inkommensurablen magnetischen Struktur von CrAs. Neben der wissenschaftlichen Untersuchung der Kristall- und magnetischen Struktur von CrAs widmet sich ein Teil dieser Arbeit der Entwicklung von Hochdruckzellen, die für Neutronenbeugungsexperimente unter extremen Bedingungen geeignet sind, d.h. unter simultan hohem Druck, niedriger Temperatur und starken Magnetfeldern. Mehrere solcher Zellen, die auf dem allgemeinen Prinzip der Klemmzelle basieren, wurden speziell für die bestehenden Vorrichtungen ausgewählter Instrumente am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) entwickelt, wo sie in Zukunft als für die Allgemeinheit verfügbare Probenumgebung eingesetzt werden sollen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Tests zur Charakterisierung und Kalibrierung dieser Klemmzellen durchgeführt. Dies umfasst Druck/Belastung-Kurven, experimentelle Neutronentransmission und die Messung von magnetischen Reflexen mit Neutronenstrahlung. Unabhängig von Neutronen werden der thermische Verlauf im Kryostaten und Lade-Kalibrierungskurven auf der Grundlage von Rubinlumineszenz gemessen. Diese Arbeit präsentiert damit eine neue experimentelle Option, die für die Instrumente und Nutzer am MLZ zur Verfügung steht, und neue Möglichkeiten für Wissenschaft unter extremen Bedingungen bietet.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Geowissenschaften und Geographie [530000]
• Lehrstuhl und Institut für Kristallographie [542110]