[論文レビュー] Breathing Pyrochlore Lattice Realized in A-Site Ordered Spinel Oxides LiGaCr4O8 and LiInCr4O8

Yoshihiko Okamoto, Nilsen, Gøran J.+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2013

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、Li⁺とGa³⁺/In³⁺のサイズ不一致に起因するAサイト秩序スピンエリス酸化物LiGaCr₄O₈およびLiInCr₄O₈が、交互に大きい・小さいCr³⁺四面体を形成する呼吸するペロブスカイト格子を有することを特定した。呼吸因子𝐵_f = 𝐽′/𝐽が磁気フラストレーションを調整し、LiGaCr₄O₈（𝐵_f ≈ 0.6）は従来の反強磁性秩序を示し、LiInCr₄O₈（𝐵_f ≈ 0.1）はスピンギャップを示すことで、量子スピン液体基底状態に近い状態にあることが示された。

ABSTRACT

A unique type of frustrated lattice is found in two A-site ordered spinel oxides, LiGaCr4O8 and LiInCr4O8. Because of the large size mismatch between Li+ and Ga3+/In3+ ions at the A site, the pyrochlore lattice, made up of Cr3+ ions carrying spin 3/2, becomes an alternating array of small and large tetrahedra, i.e., a "breathing" pyrochlore lattice. We introduce a parameter, the breathing factor Bf, which quantifies the degree of frustration in the pyrochlore lattice: Bf is defined as J'/J, where J' and J are nearest-neighbor magnetic interactions in the large and small tetrahedra, respectively. LiGaCr4O8 with Bf ~ 0.6 shows magnetic susceptibility similar to that of conventional Cr spinel oxides such as ZnCr2O4. In contrast, LiInCr4O8 with a small Bf ~ 0.1 exhibits a spin-gap behavior in its magnetic susceptibility, suggesting a proximity to an exotic singlet ground state. Magnetic long-range order occurs at 13.8 and 15.9 K for LiGaCr4O8 and LiInCr4O8, respectively, in both cases likely owing to the coupling to structural distortions.

研究の動機と目的

• Aサイト秩序スピンエリス酸化物LiGaCr₄O₈およびLiInCr₄O₈が示す特異な呼吸するペロブスカイト格子構造の磁気的性質を調査すること。
• イオン半径の不一致に起因する格子歪みが、フラストレーションを受けるCr³⁺スピン系における磁気的相互作用および基底状態行動に与える影響を特定すること。
• 呼吸因子𝐵_f = 𝐽′/𝐽を用いて幾何的フラストレーションの度合を定量化し、それが特異な量子状態の安定化に果たす役割を評価すること。
• 格子の呼吸と、ペロブスカイト反強磁性体におけるスピンギャップ行動やスピン液体的特徴の出現との関係を探索すること。

提案手法

• LiGaCr₄O₈およびLiInCr₄O₈のAサイト秩序性と格子定数を確認するため、粉末中性子回折を用いた結晶構造解析。
• ペロブスカイト格子内の大きな四面体と小さな四面体における反強磁性相互作用比を定量化する呼吸因子𝐵_f = 𝐽′/𝐽の定義。
• 磁気感受率測定と古典的モンテカルロシミュレーションを用いて、磁気交換相互作用𝐽と𝐽′をフィッティングし、ALPSスピンmcプログラムを用いた。
• 実験データをCr–Cr結合長と交換結合の関係を示す普遍的スケーリング線と比較し、𝐽と𝐽′を推定する。
• 比熱データの解析により、磁気相転移を特定し、短距離秩序またはスピンギャップを示すスピンのエントロピー解放を評価する。
• 非弾性中性子散乱およびNMR/X線回折を用いて、ネール温度近辺における磁気的および構造的転移を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Li⁺とGa³⁺/In³⁺のイオン半径の不一致が、Aサイト秩序スピンエリス酸化物のCr³⁺ペロブスカイト格子にどのように呼吸歪みを誘発するか？
• RQ2 呼吸因子𝐵_f = 𝐽′/𝐽が、従来の長距離秩序からスピンギャップ行動に至る磁気基底状態をどのように調整するか？
• RQ3 LiInCr₄O₈は長距離磁気秩序を示すにもかかわらず、なぜスピンギャップ行動を示すのか？これは量子スピン液体状態に近い状態にある証拠である。
• RQ4 構造的歪みおよびスピン-格子結合が、これらのフラストレーション系における磁気秩序転移をどれほど駆動しているか？
• RQ5 呼吸するペロブスカイト格子は、スピンギャップ状態とスピン液体行動の間の遷移を調査するためのチューナブルなプラットフォームとして機能できるか？

主な発見

• LiGaCr₄O₈は呼吸因子𝐵_f ≈ 0.6を示し、ZnCr₂O₄などの従来のCrスピンエリス酸化物と同様の磁気感受率を示しており、中程度のフラストレーションを示している。
• LiInCr₄O₈は小さな呼吸因子𝐵_f ≈ 0.1を示し、磁気感受率に明確なスピンギャップ行動が観察され、量子スピン液体基底状態に近い状態にある可能性を示唆している。
• LiGaCr₄O₈では13.8 K、LiInCr₄O₈では15.9 Kで磁気的長距離秩序が観測され、比熱データから𝑇_N以上でも顕著なスピンエントロピーが保持されていることから、短距離秩序が存在することが示された。
• モンテカルロシミュレーションおよび普遍的スケーリングへのフィッティングから、LiGaCr₄O₈（𝐵_f ≈ 0.6）では𝐽 ≈ 62.9 K、𝐽′ ≈ 37.7 Kが推定され、LiInCr₄O₈（𝐵_f ≈ 0.1）では𝐽 ≈ 56.8 K、𝐽′ ≈ 6.8 Kが得られた。
• 磁気的転移は9 Tまでの外部磁場に対しても安定しており、秩序化が外部磁場によって駆動されているのではなく、おそらくスピン-格子結合および構造的歪みによって引き起こされていることが示唆された。
• LiGaCr₄O₈では𝑇_Nより上位に幅広いショルダーが、LiInCr₄O₈ではエントロピー解放が観察され、フラストレーション効果が秩序相でも持続していることが示唆され、残存する量子揺らぎの兆候である。