[논문 리뷰] Crystal and magnetic structure of LaTiO3 : evidence for non-degenerate $t_{2g}$-orbitals

M. Cwik, T. Lorenz외 8명|arXiv (Cornell University)|2003. 02. 04.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 LaTiO3에서 TiO6 옥탄헤드론의 심각한 구조적 비대칭성이 발생하여 t2g 오비탈이 0.24 eV만큼 분리됨을 보여주며, 이는 비정상적인 자기성질을 설명한다. Jahn-Teller 유사한 비대칭성에 의해 유도된 비퇴화 t2g 상태는 궤도 억제를 억제하고, 강한 스핀-오비탈 결합이 없는 상황에서도 낮은 순서된 자화모멘트(0.46 μB)와의 일치를 가능하게 하여, 이 Mott 절연체 시스템에서 오랫동안 남아있던 수수께끼를 해결한다.

ABSTRACT

The crystal and magnetic structure of LaTiO3 ~ has been studied by x-ray and neutron diffraction techniques using nearly stoichiometric samples. We find a strong structural anomaly near the antiferromagnetic ordering, T$_N$=146 K. In addition, the octahedra in LaTiO3 exhibit an intrinsic distortion which implies a splitting of the t2g-levels. Our results indicate that LaTiO3 should be considered as a Jahn-Teller system where the structural distortion and the resulting level splitting are enhanced by the magnetic ordering.

연구 동기 및 목표

• LaTiO3에서 3d1 전자 한 개에 대한 이론적 기대와 관측된 낮은 순서된 자기모멘트(0.46 μB) 사이의 오랫동안 지속된 모순을 해결하기 위해.
• LaTiO3의 구조적 비대칭성이 비퇴화 t2g 오비탈을 유도하여 자기 및 전자적 성질에 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 강한 스핀-오비탈 결합이나 궤도 변동을 고려하지 않고도 자기 기저 상태를 설명할 수 있는지 규명하기 위해.
• 궤도 비퇴화성과 Jahn-Teller 효과가 희토류 툦네이트의 반자성 정렬에 미치는 영향을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 결정 및 자기 구조를 규명하기 위해 거의 스토이키오메트릭인 LaTiO3 단일결정에 대해 고해상도 분말 X선 및 중성자 회절을 수행하였다.
• 화학적 스토이키오메트리의 확인과 Néel 전이 온도(TN = 146 K)의 확인을 위해 열중량 분석 및 SQUID 자기측정을 실시하였다.
• 실험적 결정구조에서 기인하는 t2g 오비탈 분리를 계산하기 위해, 2차원 공유결합 기여를 포함한 전면적인 마델룽 합점전하 모델을 적용하였다.
• TN 근처에서의 격자 상수와 원자 위치의 온도 의존성을 분석하여 구조적 이질성을 탐지하였다.
• 관측된 비대칭성을 반영하여 궤도 파동함수를 t2g 오비탈의 선형 조합으로 모델링하여 궤도 정렬과 이방성도를 결정하였다.
• 공유성과 산소로의 스핀 전이를 고려한 이론적 예측된 순서된 자기모멘트(0.72 μB)를 실험 데이터와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LaTiO3의 결정구조는 t2g 오비탈의 비퇴화성을 제거하는 비대칭성을 보이는가?
• RQ2 LaTiO3에서 관측된 낮은 자기모멘트는 스핀-오비탈 결합이 아닌, 구조적 비대칭에 의한 궤도 분리에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ3 LaTiO3의 반자성 정렬은 궤도 분리를 증가시키는 Jahn-Teller 유사 비대칭성에 의해 안정화되는가?
• RQ4 구조적 비대칭성은 궤도 점유도와 그로 인한 자기 스핀 교환 상호작용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 LaTiO3에서 t2g 오비탈 분리는 어느 정도이며, 스핀-오비탈 결합 에너지와 비교해 볼 때 어떠한가?

주요 결과

• Néel 전이 온도(TN = 146 K)에서 명백한 구조적 이질성이 관측되어, 격자와 자기 정렬 간의 강한 결합을 시사한다.
• LaTiO3의 TiO6 옥탄헤드론은 상당한 비대칭성을 보이며, a축 방향으로 연장되어 t2g 준위가 0.24 eV만큼 분리된다.
• LaTiO3에서 t2g 오비탈은 비퇴화 상태이며, 한 상태는 다른 두 상태보다 0.24 eV 낮아지며, 나머지 두 상태는 거의 퇴화되어 있다.
• 점유된 궤도는 t2g 상태의 선형 조합으로, 직교계의 b,c 평면에서 c축으로부터 56° 각도를 이루며 정렬되어 있으며, 3z²−r² 궤도와 유사하다.
• 궤도 분리는 스핀-오비탈 결합 에너지의 약 10배 정도 크며, 궤도 자유도가 억제되지 않았음을 시사한다.
• 계산된 순서된 자기모멘트(0.72 μB)는 공유성과 산소로의 스핀 전이로 인해 감소하며, 관측된 0.46 μB와 일치한다. 이는 연약한 Jahn-Teller 시스템의 모델을 지지한다.