[論文レビュー] Comparative Study of Magnetocaloric Properties for Gd 3 + Compounds with Different Frustrated Lattice Geometries

EliseAnne C. Koskelo, Paromita Mukherjee+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2023

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、kagome、ガーネット、pyrochlore、fccの異なる frustrated lattice 几何構造を持つGd3+化合物における磁気カロリック効果を実験的に調査した。その結果、lattice 几何構造が磁気エントロピー変化に強く影響することが明らかになった。理論的予測では、軟モード数が冷却効率に寄与するとされているが、fcc lattice は角共有 lattice よりも30–95%高い∆Smを示した。これは主にパラ磁気的応答が支配的であり、液体ヘリウム領域（2–20 K）ではスピン相関が量子化効果を上回ることが要因である。

ABSTRACT

As materials with suppressed ordering temperatures and enhanced ground state entropies, frustrated magnetic oxides are ideal candidates for cryogenic magnetocaloric refrigeration. While previous materials design has focused on tuning the magnetic moments, their interactions, and density of moments on the lattice, there has been relatively little attention to frustrated lattices. Prior theoretical work has shown that the magnetocaloric cooling rate at the saturation field is proportional to a macroscopic number of soft mode excitations that arise due to the classical ground state degeneracy. The number of these modes is directly determined by the geometry of the frustrating lattice. For corner-sharing geometries, the pyrochlore has 50\% more modes than the garnet and kagome lattices, whereas the edge-sharing \emph{fcc} has only a subextensive number of soft modes. Here, we study the role of soft modes in the magnetocaloric effect of four large-spin Gd$^{3+}$ ($L=0$, $J=S=7/2$) Heisenberg antiferromagnets on a kagome, garnet, pyrochlore, and \emph{fcc} lattice. By comparing measurements of the magnetic entropy change $ΔS_m$ of these materials at fields up to $9$~T with predictions using mean-field theory and Monte Carlo simulations, we are able to understand the relative importance of spin correlations and quantization effects. We observe that tuning the value of the nearest neighbor coupling has a more dominant contribution to the magnetocaloric entropy change in the liquid-He cooling regime ($2$-$20$~K), rather than tuning the number of soft mode excitations. Our results inform future materials design in terms of dimensionality, degree of magnetic frustration, and lattice geometry.

研究の動機と目的

• frustrated Gd3+酸化物におけるlattice 几何構造が磁気カロリック特性に与える影響を特定すること。
• 理論的予測である「軟モード数が磁気カロリック冷却速度に比例する」という仮説を検証すること。
• スピン相関、量子化効果、およびスピン交換相互作用が磁気エントロピー変化∆Smに果たす役割を分離して評価すること。
• 最適なfrustrated lattice を特定し、今後の材料設計に役立てるため、低温冷媒としての性能を向上させるための指針を提供すること。

提案手法

• 9 Tまでの磁場下で、kagome、garnet、pyrochlore、fccの4種類のGd3+酸化物における磁気エントロピー変化∆Smを測定した。
• スピン相関をモデル化するため、古典的ヘイゼンベルクスピンの平均場理論およびモンテカルロシミュレーションを用いた。
• 量子効果の役割を評価するために、量子化スピン計算を適用した。
• 幾何的寄与を分離するために、スピン交換結合定数で∆Smを正規化した。
• X線回折データのリエーティルド精査を実施し、結晶構造およびサイト占有状況を確認した。
• 理論的予測（軟モード数およびlattice 几何構造に基づく）と実験的∆Smを比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的に予測された軟モード数は、Gd3+化合物における実験的磁気カロリックエントロピー変化と相関しているか？
• RQ2 2–20 K領域におけるスピン相関と量子効果は、∆Smにどの程度寄与しているか？
• RQ3 軟モード数が少ないにもかかわらず、なぜfcc lattice は角共有 lattice よりも顕著に高い∆Smを示すのか？
• RQ4 スピン交換結合定数は、lattice 几何構造とは独立して磁気カロリック応答にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 lattice 几何構造を、低温磁気カロリック性能を向上させるための主要な設計パrameterとして用いることができるか？

主な発見

• fcc lattice は、角共有 lattice（kagome、garnet、pyrochlore）と比較して、2–20 Kの温度領域で30–95%高い磁気エントロピー変化∆Smを示したが、軟モード数は部分的でない（subextensive）。
• 3次元の角共有 lattice（pyrochlore、garnet、kagome）では、正規化された∆Smが軟モード数と定性的に比例し、理論的予測を支持する結果となった。
• fcc lattice の高い∆Smは、軟モード寄与ではなく、主にパラ磁気的応答に起因しており、lattice の次元性および結合性が支配的であることが示された。
• スピン相関が、大スピンGd3+（S = 7/2）系であっても、量子化効果を上回って∆Smを決定づけることが判明した。
• 近接原子間のスピン交換結合を調整することは、軟モード数を変更するよりも、∆Smに顕著な影響を与えることがわかった。
• 本研究の結果から、液体ヘリウム領域における磁気カロリック性能の最適化において、lattice 几何構造およびスピン相関効果が、軟モード数の有無よりも重要であることが明らかになった。