[論文レビュー] Optical, dielectric, and magnetoelectric properties of ferroelectric and antiferroelectric lacunar spinels

K. Geirhos, S. Reschke+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2021

Multiferroics and related materials参考文献 90被引用数 12

ひとこと要約

本レビューは、ラクナリスピンデル（AM₄X₈）の光学的、誘電的、磁電的性質を調査し、M₄X₄分子クラスター内のジャン・テラー歪みが強誘電性および多フェロ性を駆動する仕組みを明らかにする。スピン-格子-軌道結合の強さにより、スカイム粒子や反強誘電性を含む特異な状態が生じる。主な知見は、光学分光法、誘電測定、構造解析から得られたものである。

ABSTRACT

Lacunar spinels with a chemical formula of $AM_4X_8$ form a populous family of narrow-gap semiconductors, which offer a fertile ground to explore correlation and quantum phenomena, including transition between Mott and spin-orbit insulator states, ferro/antiferroelectricity driven by cluster Jahn-Teller effect, and magnetoelectric response of magnetic skyrmions with polar dressing. The electronic and magnetic properties of lacunar spinels are determined to a large extent by their molecular-crystal-like structure. The interplay of electronic correlations with spin-orbit and vibronic couplings leads to a complex electronic structure already on the single-cluster level, which -- together with weaker inter-cluster interactions -- gives rise to a plethora of unconventional correlated states. This review primarily focuses on recent progresses in the field of optical, dielectric, and magnetoelectric properties on lacunar spinels. After introducing the main structural aspects, lattice dynamics and electronic structure of these compounds are discussed on the basis of optical spectroscopy measurements. Dielectric and polarization studies reveal the main characteristics of their low-temperature ferro- or antiferroelectric phases as well as orbital fluctuations in their high-temperature cubic state. Strong couplings between spin, lattice, and orbital degrees of freedom are manifested in singlet formation upon magnetostructural transitions, the emergence of various multiferroic phases, and exotic domain-wall functionalities.

研究の動機と目的

• ラクナリスピンデルにおける電子相関、スピン-軌道結合、格子歪みの相乗的相互作用を理解すること。
• M₄X₄四面体におけるクラスター・ジャン・テラー効果によって駆動される強誘電性および反強誘電性の起源を解明すること。
• 磁電結合および極性を帯びたスピンのスカイム粒子のような特異な磁気的状態を特徴付けること。
• これらの材料における反強誘電性、強誘電性、磁気的相への遷移経路をマップすること。
• 分子結晶に類似した構造が、非代替的量子現象を可能にする役割を確立すること。

提案手法

• M₄X₄クラスター内の電子構造および分子軌道分裂を調べるための光学分光法。
• 強誘電性および反強誘電性転移とその温度依存性を特定するための誘電および分極測定。
• 対称性の低下（F¯43m から R3m や P2₁2₁2₁ に）を決定するためのX線および中性子回折による構造解析。
• 磁気的秩序および転移を特徴付けるための磁化率および比熱測定。
• 温度依存的X線回折およびラーマン分光法を用いた磁気的構造転移の分析。
• 低対称性相における軌道簡約の理論的モデリングおよびジャローシュキン＝モリスキー相互作用の解析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M₄X₄クラスター内のジャン・テラー歪みは、GaV₄S₈ や GaMo₄S₈ などのラクナリスピンデルでどのように強誘電性を誘発するか？
• RQ2 GaNb₄Se₈ および GaTa₄Se₈ における磁気的構造転移の性質は何か？ また、それが反強誘電性をもたらす仕組みは？
• RQ3 これらの材料における磁電結合は、特にスカイム粒子形成の文脈でどのように実現されるか？
• RQ4 高温立方晶相における軌道フラクチュエーションの役割は何か？ そして、誘電応答にどのように影響を与えるか？
• RQ5 スピン、格子、軌道自由度がどのように結合して、ネール型スカイム粒子のような特異な状態を安定化させるか？

主な発見

• GaV₄S₈ および GaMo₄S₈ における強誘電性は、F¯43m から R3m への対称性低下を引き起こすジャン・テラー歪みに起因し、4つの異なる分極方向を持つ極性のルーハイド型相を誘発する。
• 誘電的測定により、GaV₄S₈ に順序-不順序型強誘電転移が確認され、TJT ≈ 44 K 以上の領域で動的ジャン・テラーフラクチュエーションが観察される。
• GaNb₄Se₈ および GaTa₄Se₈ では、TMS ≈ 33 K（GaNb₄Se₈）の単一の磁気的構造転移により、対称性が P2₁2₁2₁ に低下し、交互な分極を有する反強誘電秩序が形成される。
• GaV₄Se₈ における TC ≈ 18 K 未満の磁気的転移によりカクロイダルスピン秩序が生じ、有限磁場下でネール型スカイム粒子格子に変換可能である。
• 強いスピン-格子-軌道結合により、磁気的構造転移に伴いスピンペアリング（スイング状態）が形成され、誘電および比熱測定で観察される。
• 光学分光法により、M₄X₄ユニットに三重簡約な t₂ 分子軌道が存在することが判明し、ジャン・テラー歪みによって分裂し、極性秩序の発生を駆動することが明らかになった。