[論文レビュー] Crystal and magnetic structure of LaTiO3 : evidence for non-degenerate $t_{2g}$-orbitals

M. Cwik, T. Lorenz+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2003

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、LaTiO3 において TiO6 亜鉛化物が顕著な構造的歪みを示し、t2g 軌道が 0.24 eV 分離することを示した。この分離により、異常な磁気的性質が説明され、Jahn-Teller 的な歪みによって引き起こされる非簡約な t2g 状態が、軌道のクエンチングを抑制し、強いスピン軌道結合が存在しないにもかかわらず、低磁化モーメント（0.46 μB）と整合する。これは、Mott絶縁体系において長年の謎とされてきた問題を解消するものである。

ABSTRACT

The crystal and magnetic structure of LaTiO3 ~ has been studied by x-ray and neutron diffraction techniques using nearly stoichiometric samples. We find a strong structural anomaly near the antiferromagnetic ordering, T$_N$=146 K. In addition, the octahedra in LaTiO3 exhibit an intrinsic distortion which implies a splitting of the t2g-levels. Our results indicate that LaTiO3 should be considered as a Jahn-Teller system where the structural distortion and the resulting level splitting are enhanced by the magnetic ordering.

研究の動機と目的

• LaTiO3 における 3d1 電子の理論的期待値と観測された低磁化モーメント（0.46 μB）との間の長年の矛盾を解消すること。
• LaTiO3 の構造的歪みが非簡約な t2g 軌道を生じさせ、磁気的および電子的性質に与える影響を調査すること。
• 強いスピン軌道結合や軌道フラクチュエーションを仮定せずに、磁気的基底状態を説明できるかを特定すること。
• 希土類チタン酸化物における反強磁性秩序の形成において、軌道簡約性と Jahn-Teller 効果が果たす役割を明確にすること。

提案手法

• LaTiO3 単結晶（ほぼ化学 stoichiometric）を用いて、高分解能粉末 X線回折および中性子回折を実施し、結晶構造および磁気的構造を決定した。
• 熱重量分析および SQUID 磁化率測定を用いて、化学 stoichiometry の確認およびネール温度（TN = 146 K）の確認を行った。
• 実験的結晶構造から t2g 軌道分離を計算するために、2次元結合的寄与を含む完全なマデルング和点電荷モデルを適用した。
• 格子定数および原子位置の温度依存性を分析し、TN 近傍での構造的異常を検出した。
• 観察された歪みを組み込んだ軌道波動関数を t2g 軌道の線形結合としてモデル化し、軌道の配向および異方性を特定した。
• 理論的予測された磁化モーメント（0.72 μB）と実験データを比較し、酸素への結合性およびスピン移動を考慮した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LaTiO3 の結晶構造は、t2g 軌道の簡約性を解消する歪みを示しているか？
• RQ2 LaTiO3 の観測された低磁化モーメントは、スピン軌道結合ではなく、構造的歪みに起因する軌道分離によって説明可能か？
• RQ3 LaTiO3 の反強磁性秩序は、軌道分離を増幅させる Jahn-Teller 的な歪みによって安定化されているか？
• RQ4 構造的歪みは、軌道占有状態およびそれによる磁気的交換相互作用にどのように影響するか？
• RQ5 LaTiO3 における t2g 軌道分離の大きさは何か？また、スピン軌道結合エネルギーと比較するとどうか？

主な発見

• ネール温度（TN = 146 K）で明確な構造的異常が観察され、格子と磁気的秩序の強い結合が示唆された。
• LaTiO3 の TiO6 八面体は顕著な歪みを示し、a 軸方向に引き伸ばされており、t2g 頻度が 0.24 eV 分離した。
• LaTiO3 における t2g 軌道は非簡約であり、1 つの状態が他の 2 つと比べて 0.24 eV 低下しており、残りの 2 つはほぼ簡約のままである。
• 占有軌道は t2g 状態の線形結合であり、正方晶の b,c 平面内にあり、c 軸から 56° の角度をなしており、3z²−r² 軌道に類似している。
• 軌道分離はスピン軌道結合エネルギーのおよそ 10 倍大きく、軌道自由度がクエンチされていないことを示している。
• 計算された磁化モーメント（0.72 μB）は、結合性および酸素へのスピン移動によって低下し、観測された 0.46 μB と整合的である。これは、ソフト Jahn-Teller 系のモデルを支持するものである。