[論文レビュー] On the complexity of spinels: Magnetic, electronic, and polar ground states

V. Tsurkan, Hans‐Albrecht Krug von Nidda+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2021

Multiferroics and related materials参考文献 483被引用数 180

ひとこと要約

この包括的なレビューは、スピンペル化合物におけるスピン、電子的および格子自由度の相互作用に焦点を当て、100年以上にわたるスピンペル研究を統合しています。特に、Aサイト（ダイヤモンド格子）およびBサイト（パイラクロア格子）にフラストレーションを示すスピンペル、特にスピン液体、軌道ガラス、多フェロ磁性相といった特異な基底状態を示すことが強調されています。最近の発見には、高磁場下でのメロンおよびスピンスーパーリキッド／スーパーソリッド相が含まれます。

ABSTRACT

This review summarizes more than 100 years of research on spinel compounds, mainly focusing on the progress in understanding their magnetic, electronic, and polar properties during the last two decades. Many spinel compounds are magnetic insulators or semiconductors; however, a number of spinel-type metals exists including superconductors and some rare examples of d-derived heavy-fermion compounds. In the early days, they gained importance as ferrimagnetic or even ferromagnetic insulators with relatively high saturation magnetization and high ordering temperatures, with magnetite being the first magnetic mineral known to mankind. However, spinels played an outstanding role in the development of concepts of magnetism, in testing and verifying the fundamentals of magnetic exchange, in understanding orbital-ordering and charge-ordering phenomena. In addition, the A- site as well as the B-site cations in the spinel structure form lattices prone to strong frustration effects resulting in exotic ground-state properties. In case the A-site cation is Jahn-Teller active, additional entanglements of spin and orbital degrees of freedom appear, which can give rise to a spin-orbital liquid or an orbital glass state. The B-site cations form a pyrochlore lattice, one of the strongest contenders of frustration in three dimensions. In addition, in spinels with both cation lattices carrying magnetic moments, competing magnetic exchange interactions become important, yielding ground states like the time-honoured triangular Yafet-Kittel structure. Finally, yet importantly, there exists a long-standing dispute about the possibility of a polar ground state in spinels, despite their reported overall cubic symmetry. Indeed, over the years number of multiferroic spinels were identified.

研究の動機と目的

• スピンペル化合物に関する100年以上にわたる研究を統合・分析すること、特に過去20年間の進展に焦点を当てる。
• 一部にd電子殻が満たされていないスピンペルにおけるスピン、電荷、軌道および格子自由度の複雑な相互作用を解明すること。
• フラストレーションを示すスピンペル系において、スピン液体、軌道ガラス、多フェロ磁性相といった特異な量子基底状態の出現を調査すること。
• 磁気的フラストレーション、競合する交換相互作用およびスピン-格子結合が複雑な相図を決定する役割を検討すること。
• 長年の未解決問題、例えば、非中心対称性を示すとされるスピンペルにおける極性基底状態、およびスピンスーパーリキッド／スーパーソリッド相の性質について、実験的および理論的状況を評価すること。

提案手法

• スピンペル化合物200種以上（AB₂X₄）に関する実験的および理論的研究を体系的にレビューし、単結晶および多結晶試料に重点を置く。
• 最大100 Tの高磁場および最大40 GPaの高圧測定を分析し、(H, T)および(P, T)相図をマッピングする。
• X線吸収スペクトロスコピーおよびX線磁気円二色性（XMCD）を用いて、局所的な電子構造および磁気モーメントの配向をプローブする。
• Aサイト（ダイヤモンド）およびBサイト（パイラクロア）サブラティスにおけるスピン-格子結合、軌道秩序および競合する交換相互作用の理論的モデリング。
• 複数の化合物群を比較することで、ヴェルウェイ転移、金属-絶縁体転移およびハブ・フェルミオン行動といった現象を検討する。
• スピンペル薄膜およびヘテロ構造の合成と特性評価により、ナノ構造系における顕在的機能性を探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 極性歪みが存在しない状況で、ベクトルチラリティが駆動する多フェロ磁性の微視的起源は何か、特にスピンペルにおいて。
• RQ2 フラストレーションを示すAサイト（ダイヤモンド）およびBサイト（パイラクロア）格子における競合する交換相互作用は、どのようにスピン液体やスピンスパイラル状態といった特異な基底状態を生じさせるのか。
• RQ3 スピン駆動型ジャン・テラー効果および軌道秩序は、スピン-軌道液体または軌道ガラス状態の安定化にどの程度寄与するのか。
• RQ4 高磁場下におけるクロム系スピンペルにおいて、スピンスーパーリキッドおよびスピンスーパーソリッド相の性質と実験的証拠は何か。
• RQ5 スピンペルにおける観測された磁化プラトーおよび分数化励起状態は、量子フラストレーションの統一的理論枠組みで説明可能か。

主な発見

• スピンペルのAサイトダイヤモンド格子は、結合秩序のフラストレーションを示し、スパイラルスピン液体相などの非代替的基底状態を生じさせる。このフラストレーションの強さは、相互作用と内部サブラティス間の交換相互作用比に依存する。
• Bサイトパイラクロア格子は、残留ゼロ点エントロピーおよび氷則に一致する短距離スピン相関を示す、非常に縮退した基底状態を支持しており、Gd₂Ir₂O₇などの化合物で観察されている。
• 中程度の磁場下でMnSc₂S₄においてメロン（半スカイクルム）スピン構造が実験的に同定され、スピンペルにおいてこのようなトポロジカルスピン構造が非常に稀に観測された例である。
• ZnCr₂Se₄のような多フェロ磁性スピンペルでは、長距離フェロエレクトリック秩序がスピンのベクトルチラリティによってのみ駆動されており、立方晶系におけるチラリティ駆動フェロエレクトリック性の稀な例である。
• クロム系スピンペルにおいて高磁場下にスピンスーパーリキッドおよびスピンスーパーソリッド相が提案されているが、その存在は実験的に未確認であり、理論的にも議論の余地がある。
• 特定のスピンペル化合物において分数化磁化プラトーおよびハブ・フェルミオン行動が観測されており、特にレアアースまたはアクチニド系系において強い電子相関およびKondo型スクリーニング効果を示唆している。