[論文レビュー] Successive magnetic phase transitions with magnetoelastic and magnetodielectric coupling in the ordered triple perovskite Sr$_3$CaRu$_2$O$_9$

Arun Kumar, Pascal Manuel+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2023

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

ひとこと要約

本研究は、単斜晶P2₁/c構造を有する秩序的三重perovskite Sr₃CaRu₂O₉を対象とし、直流磁化率および中性子回折を用いて約190 Kおよび約160 Kの二つの逐次的磁気転移を特定した。ユニットセル体積の変化およびRu-Ru距離の変動を通じて強い磁気歪み結合を示し、誘電率の異常から磁気誘電結合の証拠を得た。これは、スピン-軌道結合を有する多機能的応答を示す三重perovskiteの理解を深めるものである。

ABSTRACT

We report a comprehensive temperature-dependent investigation of the 1:2 ordered triple perovskite system Sr$_3$CaRu$_2$O$_9$. It crystallizes in the monoclinic structure with space group $P21/c$, consisting of corner-sharing CaO$_6$ and RuO$_6$ octahedra. Using DC magnetization and neutron diffraction measurements, we show that this system undergoes successive magnetic transitions ~190 K and ~160 K. From the analysis of the temperature-dependent neutron diffraction and dielectric data, we demonstrate two distinguishing features of the Sr$_3$CaRu$_2$O$_9$ system: (i) magnetoelastic coupling associated with the two magnetic transitions, as revealed by a change in the unit cell volume, direct Ru-Ru distance, and bond angles and (ii) magnetodielectric coupling, as revealed by the anomalies across the two magnetic transitions. The present results would add significantly to the current understanding of the triple perovskites with incipient spin-orbit coupling.

研究の動機と目的

• 秩序的三重perovskite Sr₃CaRu₂O₉における磁気的および構造的変化の理解を図ること。
• この系における磁気相転移の性質および順序を特定すること。
• 顕在的スピン-軌道結合を有する系において、磁気歪みおよび磁気誘電結合の存在と起源を調査すること。
• 複雑な酸化物における構造的歪みと電子的・磁気的転移の相関を明らかにすること。

提案手法

• 磁気転移の検出および磁気的秩序の特徴づけに、直流磁化率測定を用いた。
• 温度依存性の中性子回折を用いて、原子位置、結合距離、角度の変化を追跡し、構造的パラメータを決定した。
• 磁気誘電結合の兆候を示す異常を検出するために誘電測定を実施した。
• 磁気歪み効果を定量化するため、ユニットセル体積、Ru-Ru距離、および結合角の分析を実施した。
• 構造の精製および対称性解析の基準として、単斜晶P2₁/c構造を用いた。
• 磁気的・構造的・誘電的データの比較的分析を通じて、転移と結合メカニズムの相関を確立した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sr₃CaRu₂O₉における臨界温度および磁気相転移の性質は何か？
• RQ2 ユニットセル体積、Ru-Ru距離、結合角といった構造的パラメータは、磁気転移に伴いどのように変化するか？
• RQ3 Sr₃CaRu₂O₉に磁気歪み結合の証拠があるか。その構造的変化としてどのように現れるか？
• RQ4 この系は磁気誘電結合を示すか。磁気転移と相関しているか？
• RQ5 スピン-軌道結合効果は、この三重perovskiteにおける観察された多機能的挙動にどのように寄与しているか？

主な発見

• Sr₃CaRu₂O₉は、直流磁化率および中性子回折により確認されたように、約190 Kおよび約160 Kで二つの逐次的磁気相転移を示す。
• 両転移においてユニットセル体積に顕著な変化が観察され、強い磁気歪み結合を示している。
• Ru-Ru距離およびRu-O-Ru結合角が、二つの転移温度で明確に変化しており、磁気的秩序に伴う構造的再編成を確認した。
• 誘電測定では、190 Kおよび160 Kで異常が観察され、磁気誘電結合の直接的証拠が得られた。
• 構造的、磁気的、誘電的データの統合的分析により、格子歪み、磁気的秩序、および電子的応答の強い相互作用が明らかになった。
• これらの結果は、顕在的スピン-軌道結合が秩序的三重perovskiteにおける複雑な多機能的挙動を可能にする役割を果たしていることを強調している。