1. Epsilon iron as a spin-smectic state
- Author
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Alain Polian, P. Munsch, Amélie Juhin, Tommaso Gorni, Blair W. Lebert, James M. Ablett, François Baudelet, Thomas C. Hansen, Matteo d'Astuto, Jean-Pascal Rueff, Michele Casula, Stefan Klotz, Gilles Le Marchand, Zailan Zhang, Synchrotron SOLEIL (SSOLEIL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC), Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut de recherche pour le développement [IRD] : UR206-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire de Physique et d'Etude des Matériaux (UMR 8213) (LPEM), Ecole Superieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris (ESPCI Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Laue-Langevin (ILL), Institut de Génétique et Développement de Rennes (IGDR), Université de Rennes (UR)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Structure Fédérative de Recherche en Biologie et Santé de Rennes ( Biosit : Biologie - Santé - Innovation Technologique ), Laboratoire de Chimie Physique - Matière et Rayonnement (LCPMR), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Magnétisme et Supraconductivité (NEEL - MagSup), Institut Néel (NEEL), Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019]), ANR-11-IDEX-0004-02, Agence Nationale de la Recherche, ANR-11-IDEX-0004,SUPER,Sorbonne Universités à Paris pour l'Enseignement et la Recherche(2011), ILL, Structure Fédérative de Recherche en Biologie et Santé de Rennes ( Biosit : Biologie - Santé - Innovation Technologique )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Rennes 1 (UR1), Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES), Magnétisme et Supraconductivité (MagSup ), Université de Rennes 1 (UR1), and Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Structure Fédérative de Recherche en Biologie et Santé de Rennes ( Biosit : Biologie - Santé - Innovation Technologique )
- Subjects
Neutron powder diffraction ,Materials science ,Magnetism ,media_common.quotation_subject ,FOS: Physical sciences ,Frustration ,02 engineering and technology ,01 natural sciences ,iron ,Lattice (order) ,0103 physical sciences ,Antiferromagnetism ,Emission spectrum ,010306 general physics ,ComputingMilieux_MISCELLANEOUS ,media_common ,Superconductivity ,Condensed Matter - Materials Science ,Multidisciplinary ,Condensed matter physics ,Magnetic moment ,superconductivity ,Materials Science (cond-mat.mtrl-sci) ,021001 nanoscience & nanotechnology ,[PHYS.COND.CM-S]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Superconductivity [cond-mat.supr-con] ,high pressure ,magnetism ,Physical Sciences ,Condensed Matter::Strongly Correlated Electrons ,[PHYS.COND.CM-SCE]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Strongly Correlated Electrons [cond-mat.str-el] ,0210 nano-technology - Abstract
Using X-ray emission spectroscopy, we find appreciable local magnetic moments until 30 GPa to 40 GPa in the high-pressure phase of iron; however, no magnetic order is detected with neutron powder diffraction down to 1.8 K, contrary to previous predictions. Our first-principles calculations reveal a “spin-smectic” state lower in energy than previous results. This state forms antiferromagnetic bilayers separated by null spin bilayers, which allows a complete relaxation of the inherent frustration of antiferromagnetism on a hexagonal close-packed lattice. The magnetic bilayers are likely orientationally disordered, owing to the soft interlayer excitations and the near-degeneracy with other smectic phases. This possible lack of long-range correlation agrees with the null results from neutron powder diffraction. An orientationally disordered, spin-smectic state resolves previously perceived contradictions in high-pressure iron and could be integral to explaining its puzzling superconductivity.
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- 2019
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