[論文レビュー] Emergent units of itinerant spin-state excitations in LaCoO$_3$

Keisuke Tomiyasu, Toshihiro Nomura+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2018

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、LaCoO3におけるスピン状態励起が、二重のハイスピンおよびインターミディエイトスピン特性を示す7コバルトサイト単位として出現することを明らかにした。これは単結晶非弾性中性子散乱と理論的モデリングにより同定されたものであり、中間温度領域におけるスピン状態の性質に関する長年の論争を解消し、単一サイトモデルを超える新しい集団的記述を提供する。

ABSTRACT

Spin crossover is expected to enrich unusual physical states in various types of condensed matter. Through inelastic neutron scattering, we study the spin-state excitations in the canonical and advanced platform, LaCoO$_3$, and reveal that the spatial correlation robustly maintains the seven-Co-site size below 300 K and the internal Co-$d$ electrons are spatially delocalized. By combining theoretical calculations, this dynamical short-range order is identified as a new collective unit for describing spin-state with dual spin-state nature beyond the conventional one-Co-site classification.

研究の動機と目的

• LaCoO3の中間温度（MT）領域におけるスピン状態励起の性質に関する長年の論争を解消すること。
• MT領域における熱励起状態がハイスピン（HS）、インターミディエイトスピン（IS）、または両者の混合であるかどうかを特定すること。
• 単一サイト記述を超えたスピン状態励起の空間的相関長および集団的挙動を同定すること。
• ハイスピン／インターミディエイトスピンの二重特性を示す7コバルトサイトスピン状態励起という新しい集団的ユニットを確立し、観測された強磁性短距離秩序を説明すること。
• バルクスピンクロスオーバー行動と薄膜およびホールドープド系における出現現象を統一的枠組みで結びつけること。

提案手法

• J-PARCのAMATERAS分光計を用いて、5〜300 Kの温度範囲でLaCoO3の単結晶非弾性中性子散乱を実施した。
• 運動量エネルギースペース（Q, E）におけるスピン励起スペクトルを測定し、スピン状態励起の空間的および動的相関をマッピングした。
• 背景除去と方位平均を適用して、磁気的散乱強度マップを抽出した。
• 実験データとab initio理論計算を統合し、スピン状態配置をモデリングし、7コバルトサイトユニットの存在を検証した。
• 対称性に基づく解析とスピン配置マッピングを用いて、強磁性短距離秩序を同定し、HSとISの性質を区別した。
• スピン・チャージ・オービタル・ラティス結合の理論的モデリングを通じて、薄膜およびホールドープド系を含むさまざまな条件下での7コバルトサイトユニットの安定性を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LaCoO3の中間温度領域におけるスピン状態励起の真の性質は何か—ハイスピン、インターミディエイトスピン、あるいは混合状態か？
• RQ2 スピン状態励起の空間的相関は、単一コバルトサイトを越えてどの程度広がっており、その特徴的な長さスケールは何か？
• RQ3 反強磁性的HS-HS相互作用があるにもかかわらず、観測された強磁性短距離秩序の起源は何か？
• RQ4 集団的で複数サイトのユニットが、実験的非弾性中性子散乱データと励起状態の二重HS/IS特性を両方説明できるか？
• RQ5 7コバルトサイトスピン状態ユニットは、薄膜における出現的フェロ磁性やホールドープド系における絶縁体-金属転移といった出現現象とどのように関係しているか？

主な発見

• LaCoO3におけるスピン状態励起の空間的相関長は、300 K未満で安定的に7コバルトサイトサイズを維持しており、安定な集団的ユニットであることを示している。
• 非弾性中性子散乱により、T_NM ≈ 30 Kで0.6 meVのギャップ励起が観測され、100 K以上でギャップレス（準弾性）励起に進化し、200–300 Kの間に広い強度ピークを示す。
• 理論的モデリングにより、観測された動的短距離秩序が、ハイスピンおよびインターミディエイトスピンの二重特性を示す7コバルトサイト集団的ユニットに対応することが確認された。
• 7コバルトサイトユニットは強磁性短距離秩序を示し、反強磁性的HS-HS相互作用と観測された強磁性相関の間にある顕著な矛盾を解消している。
• この集団的ユニットは、MT領域におけるスピン相関の持続を説明し、バルクスピンクロスオーバー、薄膜フェロ磁性、ホールドープド系を統一的に記述する枠組みを提供する。
• 高温領域（T_IM ≈ 530 K以上）においても、システムは二重HS/IS特性を保持しており、1/2-F2状態における理論的スピン磁化モーメント合計が5.3 μBであるため、HSに類似した挙動を示すが、ISに類似した軌道的配置を示している。