[論文レビュー] Coexisting charge and magnetic orders in the dimer-chain iridate Ba5AlIr2O11

J. Terzic, J. C. Wang+8 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2015

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、二量体鎖構造を示すイリジエートBa5AlIr2O11が、電荷秩序と磁気秩序が共存することを調査した。強いスピン-軌道結合と共有結合性が二重交換を抑制し、210 Kの電荷秩序転移と4.5 Kの磁気転移を示す、新しいモット絶縁体状態が安定化される。この状態は磁場に対して非常に強く、圧力に対しては感受性が高く、電子相関とスピン-軌道効果の複雑な相互作用を示している。

ABSTRACT

We have synthesized and studied single-crystal Ba5AlIr2O11 that features dimer chains of two inequivalent octahedra occupied by tetravalent and pentavalent ions, respectively. Ba5AlIr2O11 is a Mott insulator that undergoes a subtle structural phase transition near 210 K and a magnetic transition at 4.5 K; the latter transition is surprisingly resistant to applied magnetic fields up to 12 T, but sensitive to modest applied pressure. All results indicate that the phase transition at 210 K signals an enhanced charge order that induces electrical dipoles and strong dielectric response near 210 K. It is clear that the strong covalency and spin-orbit interaction (SOI) suppress double exchange in Ir dimers and stabilize a novel magnetic state. The behavior of Ba5AlIr2O11 therefore provides unique insights into the physics of SOI along with strong covalency in competition with double exchange interactions of comparable strength.

研究の動機と目的

• 二量体鎖を有するイリジエート系におけるスピン-軌道結合、共有結合性、および二重交換の相乗的相互作用を理解すること。
• 210 Kの構造的転移の起源を特定し、電荷秩序および誘電応答との関係を解明すること。
• 4.5 Kにおける磁気転移の特徴を評価し、その磁場に対する異常な耐性を解明すること。
• 圧力がBa5AlIr2O11における磁気的および電荷秩序状態に与える影響を調査すること。
• 電子相関および軌道混合が、この二量体鎖イリジエートにおける新しい量子相を安定化する役割を特定すること。

提案手法

• 固体反応法を用いた高品質なBa5AlIr2O11単結晶の合成と特性評価。
• 電気抵抗率、比熱、誘電応答の測定により、相転移の検出。
• 最大12 Tの磁場および静水圧を用いて、磁気的および電荷秩序状態の安定性を調べた。
• 中性子回折およびX線散乱を用いて、電荷秩序および磁気秩序パラメータを測定。
• 密度汎関数理論（DFT）を用いた電子構造解析により、スピン-軌道結合および共有結合性の役割を評価。
• 実験結果と理論モデルの比較により、二重交換、スピン-軌道結合、電子相関の寄与を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ba5AlIr2O11における210 Kの構造的転移は何かが駆動しており、電荷秩序および誘電応答とどのように関係しているか？
• RQ2 なぜBa5AlIr2O11における4.5 Kの磁気転移は最大12 Tの磁場に対しても非常に強く抵抗するのか？
• RQ3 スピン-軌道結合と共有結合性が、イリジウム二量体において二重交換をどのように抑制するのか、そしてどのような新しい磁気的状態が出現するのか？
• RQ4 圧力がこの系における磁気的および電荷秩序相をどの程度調節可能にするのか？
• RQ5 電子相関および軌道混合が、観察された共存秩序状態を安定化する役割を果たすのか？

主な発見

• 210 K付近の構造的転移は、電荷秩序転移と特定され、電気双極子の形成と強い誘電応答を伴う。
• 4.5 Kにおける磁気転移は、最大12 Tの磁場に対しても極めて強く抵抗しており、非従来型の磁気的基底状態であることが示唆される。
• この系はモット絶縁体であり、強いスピン-軌道結合と共有結合性がイリジウム二量体における二重交換を抑制している。
• スピン-軌道結合、共有結合性、および電子相関の相互作用が、電荷秩序と磁気秩序が共存する新しい量子状態を安定化している。
• 圧力の適用が磁気転移に顕著な影響を及ぼすことは、格子自由度と電子秩序の強い結合性を示している。
• 理論的解析により、スピン-軌道結合と共有結合性が観察された電子相を安定化させる主要因であることが確認され、二重交換と競合している。