[논문 리뷰] Electronic and magnetic properties of intermetallic Kagome magnets $R$V$_6$Sn$_6$ ($R$ = Tb - Tm)

X. X. Zhang, Z. Y. Liu외 8명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 12.

Hydrogen Storage and Materials인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 R V₆Sn₆ (R = Tb–Tm) 상호금속의 전자적 및 자성 성질을 조사하여, 자성을 띠지 않는 바나듐 카고메 격자와 자성을 띠는 희토류 삼각형 서브격자로 구성된 구조를 밝혀냈다. 0.4 K까지 초전도성이나 전하 주기성 정렬은 관측되지 않았으며, 반면 Tb, Dy, Ho 화합물에서는 고유한 자성 정렬이 나타났다. Er 및 Tm은 평면에 가까운 자성 이방성으로 인해 자성을 띠지 않았으며, 다중 밴드 전도성은 잠재적인 위상적 특성을 시사한다.

ABSTRACT

We present a systematic study of the structure, electronic, and magnetic properties of a new branch of intermetalllic compounds, $R$V$_6$Sn$_6$ ($R$ = Tb - Tm) by using X-ray diffraction, magnetic susceptibility, magnetization, electrical transport, and heat-capacity measurements. These compounds feature a combination of a non-magnetic vanadium kagome sublattice and a magnetic rare-earth triangular sublattice that supports various spin anisotropies based on different $R$ ions. We find magnetic orders for the $R$ = Tb, Dy, and Ho compounds at 4.4, 3, 2.5 K, respectively, while no ordering is detected down to 0.4 K for the $R$ = Er and Tm compounds with easy-plane anisotropies. Electronically, we found no superconductivity or charge ordering transition down to 0.4 K for any member of this family, while all compounds exhibit multi-band transport properties that originate from the band topology of the vanadium kagome sublattice.

연구 동기 및 목표

• 비자성 V 카고메 서브격자와 자성 R 삼각형 서브격자를 갖는 새로운 상호금속 카고메 자성체 R V₆Sn₆ (R = Tb–Tm)의 전자적 및 자성 성질을 조사하는 것.
• 다른 R 이온(Tb, Dy, Ho, Er, Tm)에 대해 자성 정렬 온도와 이방성 유형을 결정하고, 이들이 결정장 분리와 4f–3d 스핀 교환 상호작용에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 전도성 및 열역학적 측정을 통해 초전도성, 전하 밀도파 정렬 또는 위상 전자 상태의 존재 여부를 평가하는 것.
• 이중 밴드 모델을 사용하여 다중 밴드 전도성 거동을 특성화하고, 운반자 농도와 이동도를 추출하는 것.
• 희토류 이온에 특화된 결정장 효과가 자성 이방성과 잠재적 위상 상의 매개 역할을 하는지 탐구하는 것.

제안 방법

• 고온 유속법을 사용하여 R V₆Sn₆ (R = Tb–Tm)의 단일 결정을 합성하고 X선 회절을 통해 상 순도를 확인하였다.
• 자기화성도 및 자화 측정을 수행하여 자성 정렬 전이를 식별하고 자성 이방성을 결정하였다.
• 저항도 및 홀 효과 측정을 통해 이중 밴드 모델을 사용하여 운반자 농도와 이동도를 추출하였다.
• 홀 전도도 σ_xy(H)를 피팅하기 위해 이중 운반자 모델을 적용하였으며, 방정정식: σ_xy = [n_h μ_h² / (1 + (μ_h B)²) - n_e μ_e² / (1 + (μ_e B)²)] eB 를 사용하였고, ρ_xy 및 ρ_xx 를 입력 자료로 사용하였다.
• 열용량 측정을 통해 전자적 기여와 자성 기여를 분석하고, 0.4 K까지 초전도성 또는 전하 정렬의 부재를 확인하였다.
• 관측된 자성 이방성이 R³⁺ 이온의 결정장 스펙트럼과 그가 4f–3d 스핀 교환 상호작용에 미치는 영향을 연관시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 R V₆Sn₆ (R = Tb–Tm)에서 0.4 K까지 초전도성 또는 전하 밀도파 정렬이 관측되는가?
• RQ2 R V₆Sn₆의 자성 정렬 성질은 무엇이며, R 이온(Tb, Dy, Ho, Er, Tm)에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 R³⁺ 이온의 결정장 분리와 자성 이방성이 자성 구조 및 4f–3d 스핀 교환 상호작용에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 이 물질들의 운반자 전도성 거동은 어떠한가? 이는 비정상적인 밴드 위상 구조를 시사하는가?
• RQ5 TmV₆Sn₆는 유한한 음의 큐리-바우스 온도를 보이지만 왜 자성을 띠지 않는가? 이는 자성 불안정성의 원인은 무엇인가?

주요 결과

• 저항도, 열용량 및 자기화성도 측정을 통해 어떤 R V₆Sn₆ 화합물에서도 0.4 K까지 초전도성 또는 전하 정렬이 관측되지 않았다.
• TbV₆Sn₆에서는 4.4 K에서 자성 정렬이 관측되었으며, 이는 이징형(자기모멘트가 c축에 정렬됨), DyV₆Sn₆에서는 3 K에서 자성 정렬이 나타났고, 이는 축에 가까운 자성 정렬이며, HoV₆Sn₆에서는 2.5 K에서 자성 정렬이 관측되었고, 이는 더 균형 잡힌 이방성임을 나타낸다. 이는 R³⁺ 이온에 따라 강한 이방성 의존성이 있음을 시사한다.
• ErV₆Sn₆와 TmV₆Sn₆에서는 0.4 K까지 자성 정렬이 관측되지 않았으며, TmV₆Sn₆는 평면에 가까운 자성 이방성을 보였고, 큐리-바우스 온도는 -3.18 K로 나타나 자성 불안정성이 존재함을 시사한다.
• 모든 화합물에서 100 K 이하에서 이중 밴드 전도성 거동이 관측되었으며, 운반자 농도와 이동도는 온도에 따라 강하게 의존하고 저온에서 발산되는 경향을 보였다.
• 150 K 이상에서는 모든 샘플에서 정공 운반자가 지배적이며, 100 K 이하에서는 전자 및 정공 이동도가 유사해지며, TbV₆Sn₆에서는 전자가 지배적이고, HoV₆Sn₆에서는 정공이 지배적임을 나타낸다.
• 다중 밴드 전도성과 YV₆Sn₆ 및 GdV₆Sn₆와 유사한 밴드 구조는 이 R V₆Sn₆ 계열에 비정상적인 위상 전자 상태가 존재할 가능성을 시사한다.