[論文レビュー] Structure and magnetism of S = 1/2 kagome antiferromagnets NiCu3(OH)6Cl2 and CoCu3(OH)6Cl2

Yuesheng Li, Qingming Zhang|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2011

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、回転式高圧容器を用いた水熱法により、S = 1/2 カグラメ反強磁性体 NiCu3(OH)6Cl2 および CoCu3(OH)6Cl2 を合成および構造的特徴付けした。構造解析により、ZnCu3(OH)6Cl2 と同一の R-3m 対称性が確認された。交流磁化率測定により、それぞれ 6.0 K および 3.5 K でスピンガラス転移が観察され、カグラメ格子における幾何的縮重のため、強いスピン縮重と長距離磁気秩序の不在が示された。

ABSTRACT

We have successfully synthesized S = 1/2 kagome antiferromagnets MCu3(OH)6Cl2 (M = Ni and Co) by hydrothermal method with rotating pressure vessel. Structural characterization shows that both compounds have the similar crystal structure as ZnCu3(OH)6Cl2 with R-3m symmetry. Similar to ZnCu3(OH)6Cl2, the compounds show no obvious hysteresis at 2 K. A spin glass transition is found in both NiCu3(OH)6Cl2 and CoCu3(OH)6Cl2 at low temperatures (6.0 and 3.5 K respectively) by AC susceptibility measurements. It indicates no long-range magnetic order and a strong spin frustration. The substitution of Zn2+ by magnetic ions Ni2+ or Co2+, effectively enhances interlayer exchange coupling and changes the ground state of the kagome spin system.

研究の動機と目的

• 回転式高圧容器を用いた水熱法により、S = 1/2 カグラメ反強磁性体 NiCu3(OH)6Cl2 および CoCu3(OH)6Cl2 の合成と構造的特徴付けを行う。
• これらの化合物の磁気的性質、特に長距離磁気秩序の不在を調査する。
• Zn2+ の置換として磁性を持つ Ni2+ や Co2+ イオンを導入することで、カグラメスピン系の層間結合および基底状態に及ぼす影響を検討する。
• 低温磁気的挙動の性質を特定し、特にスピンガラス転移の有無を明らかにする。

提案手法

• 回転式高圧容器を用いた水熱法により、NiCu3(OH)6Cl2 および CoCu3(OH)6Cl2 の単結晶を成長させる。
• X線回折を用いて結晶構造と対称性を確認し、ZnCu3(OH)6Cl2 と同一の R-3m 空間群であることを同定する。
• 交流磁化率測定により、低温での磁気転移を調べ、スピンガラス行動を検出する。
• Ni および Co のアナログ間の磁気応答を比較し、磁性カチオンが層間結合に与える影響を評価する。
• ゼロ場冷却および磁場冷却磁化データの解析により、ヒステリシスおよびスピンガラス特徴を検出する。
• 構造的および磁気的データを統合し、幾何的縮重が長距離磁気秩序の抑制に果たす役割を推論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カグラメ格子における Zn2+ の Ni2+ や Co2+ への置換が、磁気秩序やスピンダイナミクスに顕著な変化をもたらすか？
• RQ2 NiCu3(OH)6Cl2 および CoCu3(OH)6Cl2 の低温磁気基底状態の性質は何か？
• RQ3 非磁性体の ZnCu3(OH)6Cl2 ホストと比較して、磁性イオンの存在が層間交換結合に与える影響は何か？
• RQ4 これらのカグラメ反強磁性体にスピンガラス行動の証拠があるか？また、その転移温度は何か？
• RQ5 カグラメ格子における幾何的縮重が、これらの系において長距離磁気秩序をどれほど抑制するか？

主な発見

• NiCu3(OH)6Cl2 および CoCu3(OH)6Cl2 は両方とも、ZnCu3(OH)6Cl2 と同一の R-3m 空間群に結晶化し、構造が同一である。
• 2 K における磁化曲線に顕著なヒステリシスは観察されず、長距離磁気秩序の不在が示された。
• 交流磁化率測定により、NiCu3(OH)6Cl2 では 6.0 K、CoCu3(OH)6Cl2 では 3.5 K でスピンガラス転移が確認された。
• 観察されたスピンガラス転移は、カグラメ格子の幾何的形状に起因する強いスピン縮重を裏付ける。
• Zn2+ の Ni2+ や Co2+ への置換により、層間交換結合が強化され、カグラメスピン系の基底状態が変化した。
• 本結果は、カグラメ格子内の磁性カチオンが、長距離磁気秩序を効果的に抑制し、スピンガラス的基底状態を安定化させることを示した。