[論文レビュー] Glass-like thermal conductivity and narrow insulating gap of EuTiO$_3$

Alexandre Jaoui, Shan Jiang+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2023

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、EuTiO₃が、Néel温度5.5 Kを超えていても、Eu²⁺ 4f 電子からの強いスピン-フォノン結合によってガラス状の熱伝導率を示すことが明らかになった。磁気的フラストレーションを示さない単純なG型反強磁性体であるにもかかわらず、Euサイトにおける大きな磁気モーメントのランダムな配向が、熱伝導率を広い温度範囲にわたりアモルファスシリカと同等の水準まで著しく低下させ、約0.22 eVの狭い固有バンドギャップを示す。

ABSTRACT

Crystals and glasses differ by the amplitude and the temperature dependence of their thermal conductivity. However, there are crystals known to display glass-like thermal conductivity. Here, we show that EuTiO$_3$, a quantum paraelectric known to order antiferromagnetically at 5.5 K, is one such system. The temperature dependence of resistivity and Seebeck coefficient yield an insulating band gap of $\sim 0.22$ eV. Thermal conductivity is drastically reduced. Its amplitude and temperature dependence are akin to what is seen in amorphous silica. Comparison with non-magnetic perovskite solids, SrTiO$_3$, KTaO$_3$, and EuCoO$_3$, shows that what impedes heat transport are $4f$ spins at Eu$^{2+}$ sites, which couple to phonons well above the ordering temperature. Thus, in this case, superexchange and valence fluctuations, not magnetic frustration, are the drivers of the glass-like thermal conductivity.

研究の動機と目的

• 量子反ペロブスカイトであり、5.5 Kで反強磁性秩序を示すEuTiO₃における異常な低熱伝導率の原因を解明すること。
• 特にEu²⁺ 4f スピンがガラス状の熱輸送挙動を引き起こしているかどうかを特定すること。
• スピン-フォノン結合が、磁気的フラストレーションやスピン液体状態ではなく、格子熱伝導率の低下を引き起こしているかどうかを明確にすること。
• 電気的輸送およびサーモパワー測定データを用いて、EuTiO₃の固有電子バンドギャップを測定すること。
• 非磁性ペロブスカイト（SrTiO₃、KTaO₃、EuCoO₃）と比較することで、4f電子の果たす役割を分離すること。

提案手法

• アレンニウス解析を用いて、単結晶EuTiO₃の電気抵抗率およびゼーベック係数から活性化エネルギーとバンドギャップを抽出した。
• 温度依存の熱伝導率測定を実施し、EuTiO₃とSrTiO₃、KTaO₃、EuCoO₃の挙動を比較した。
• 線形化されたボルツマン輸送方程式を用いてフォノン輸送をモデル化し、熱伝導率データからフォノン平均自由行程を推定した。
• 音速（6.8 km/s）を用いてフォノン平均自由行程を推定し、熱的波数 q_s = k_B T / (ħ v_s) と比較して局在化効果を評価した。
• 非対角的結合を含む理論的モデルを用いてスピン-フォノン結合を評価し、式(1)を拡張してスピン-格子ハイブリダイゼーションを含めた。
• 結晶構造およびTiとO経由のスピン交換経路を分析し、スピン配向が原子間力定数およびフォノン分散に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気的フラスト留やスピン液体的性質を示さないにもかかわらず、EuTiO₃でガラス状の熱伝導率が生じる原因は何か？
• RQ2 Néel温度を超えて、Eu²⁺ 4f 電子がフォノン輸送にどのように影響を与えるか？
• RQ3 EuTiO₃の固有電子バンドギャップは何か？ また、光学的およびab initio推定値と比較するとどうなるか？
• RQ4 Euサイトにおけるランダムな磁気モーメントがフォノンコherenecと熱伝導率をどれほど低下させるか？
• RQ5 観測された熱輸送挙動は、従来のフォノン散乱ではなく、フォノンとパラマグネトンの非対角的結合によって説明できるか？

主な発見

• EuTiO₃は、抵抗率およびサーモパワーのアレンニウス解析から得られた約0.22 eVの狭い固有バンドギャップを示し、ab initio予測と整合的である。
• EuTiO₃の熱伝導率は著しく低下しており、アモルファスシリカに類似した単調な温度依存性を示しており、ガラス状の挙動を示している。
• 熱伝導率の低下は、Néel温度（5.5 K）をはるかに超えて発生しており、磁気的エントロピーが飽和した状態でも継続するため、パラマグネティックな4fスピンがフォノンを散乱させることで十分であることが示された。
• フォノン散乱の主な要因は、Eu²⁺サイトにおける大きな磁気モーメント（6.9–7 μB）のランダムな配向であり、スピン-格子結合によってフォノンコherenecが破壊される。
• 20 K未満の温度でフォノン平均自由行程が10 nm未満に低下し、q_s ℓ_ph ≈ 1 となるため、スピン不規則性によるアンドリュー似の局在化の始まりが示唆された。
• 観測された熱伝導率の低下は、磁気的フラストレーションではなく、フォノンとパラマグネトンの非対角的結合に起因し、スピン液体系とは明確に異なる。