[論文レビュー] YbV$_3$Sb$_4$ and EuV$_3$Sb$_4$, vanadium-based kagome metals with Yb$^{2+}$ and Eu$^{2+}$ zig-zag chains

Brenden R. Ortiz, Ganesh Pokharel+15 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、二価のYb²⁺およびEu²⁺イオンが鎖状に配列した、二つの新しいバナジウム系カグラメタルYbV₃Sb₄およびEuV₃Sb₄の合成と特性評価を報告する。YbV₃Sb₄は60 mKまで相転移を示さない非磁性金属である一方、EuV₃Sb₄はT_C = 32 Kで強磁性に類似した転移を示し、容易面異方性を示し、磁気的周期的秩序の兆候を示しており、カグラ格子における磁気的秩序の調整のための新たなプラットフォームを確立する。

ABSTRACT

Here we present YbV$_3$Sb$_4$ and EuV$_3$Sb$_4$, two new compounds exhibiting slightly distorted vanadium-based kagome nets interleaved with zig-zag chains of divalent Yb$^{2+}$ and Eu$^{2+}$ ions. Single crystal growth methods are reported alongside magnetic, electronic, and thermodynamic measurements. YbV$_3$Sb$_4$ is a nonmagnetic metal with no collective phase transitions observed between 60mK and 300K. Conversely, EuV$_3$Sb$_4$ is a magnetic kagome metal exhibiting easy-plane ferromagnetic-like order below $T_ ext{C}$=32K with signatures of noncollinearity under low field. Our discovery of YbV$_3$Sb$_4$ and EuV$_3$Sb$_4$ demonstrate another direction for the discovery and development of vanadium-based kagome metals while incorporating the chemical and magnetic degrees of freedom offered by a rare-earth sublattice.

研究の動機と目的

• レアアースイオンを用いて磁気モーメントを調整可能なカグラメタルの新規家族を拡張すること。
• 動くカグラバンド構造とレアアースサブラットスの局在磁気モーメントとの相乗的相互作用を調査すること。
• レアアースの鎖状配列における磁気的秩序がカグラメタルの電子的および磁気的性質に与える影響を調査すること。
• Aサイトの陽イオンを用いて化学的および磁気的チューナビリティを有する新規のカグラ材料（AV₃Sb₄）を確立すること。

提案手法

• 高品質なサンプルを得るため、フラックス法を用いてYbV₃Sb₄およびEuV₃Sb₄の単結晶成長を実施する。
• SQUID磁化計測法を用いて温度および磁場依存の磁化および磁化率を測定し、磁気的特性を評価する。
• リラクゼーション法を用いた熱容量測定により、熱力学的転移をプローブし、磁気的エントロピーを抽出する。
• X線回折および結晶構造のリフィニングにより、わずかに歪んだカグラネットを有するAM₃X₄構造とAサイトの鎖状配列を確認する。
• Curie-Weiss則を用いた磁気データの解析と、非磁性のYbV₃Sb₄との比較により、磁気的寄与を分離する。
• YbV₃Sb₄を非磁性フォノン基準として用い、EuV₃Sb₄における磁気的熱容量およびエントロピーを抽出する。

Figure 1: YbV 3 Sb 4 and EuV 3 Sb 4 (a) are orthorhombic ( Fmmm ) compounds that exhibit a zig-zag sublattice of Ln ions (b) interwoven with staggered layers of V-based kagome networks (c). Consistent with the orthorhombic structure, the kagome networks are slightly distorted (d). The distortion is

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二価のレアアースイオン（Yb²⁺, Eu²⁺）をAV₃Sb₄構造に組み込むことで、磁気的チューナビリティを有する安定なカグラメタルを形成できるか？
• RQ2 Eu²⁺の存在がバナジウムカグラ格子に長距離磁気的秩序を誘発するか、その性質および転移温度は何か？
• RQ3 EuV₃Sb₄の磁気的基底状態は単純な強磁性とどのように異なり、周期的秩序またはカント状態の存在を示す証拠は何か？
• RQ4 EuV₃Sb₄の磁気的性質は、S = 7/2系の予想値からどの程度逸脱しており、その原因は何か？
• RQ5 EuV₃Sb₄における磁気的エントロピーは定量的に説明可能か？また、完全に整列した8重簡約状態の期待値に近づいているか？

主な発見

• YbV₃Sb₄は60 mKから300 Kの間で、体積相転移を示さない非磁性金属であり、パウリ常磁性と整合的である。
• EuV₃Sb₄はT_C = 32 Kで強磁性に類似した転移を示し、容易面異方性を示し、T_C未満で磁化にカクスが観察され、複雑な磁気的秩序を示唆する。
• 磁気的熱容量解析により、EuV₃Sb₄における磁気的エントロピーは16.8 J mol⁻¹ K⁻¹に達しており、S = 7/2のEu²⁺イオンの期待値R ln 8の97%に相当する。
• H ∥ cの磁化率データは、単純な強磁性よりも複雑な基底状態を示しており、モーメントのカント状態やヘリカル秩序の可能性がある。
• 等温磁化データでは、質量補正後でも1 μBのモーメント欠損が観察され、バナジウムの寄与や動的効果が未考慮の可能性がある。
• 外場下での熱容量異常は、T_C付近で幅が広がり、低温にずれるため、磁場依存の磁気的フラクチュエーションが示唆される。

Figure 2: (a) The electronic structure of Fmmm YbV 3 Sb 4 calculated over an abbreviated portion of the face-centered (type-1) orthorhombic high-symmetry points shows Dirac-like and flatband-like features consistent with the vanadium kagome network. Most cleavage surfaces exhibit Yb–Sb termination,