[논문 리뷰] 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 Pokharel외 15명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 23.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 바나듐 기반 카고메 금속인 YbV₃Sb₄와 EuV₃Sb₄의 합성 및 특성화를 보고한다. 이들은 2가 이온인 Yb²⁺ 및 Eu²⁺로 이루어진 절곡형 사슬을 가진 두 가지 새로운 물질이다. YbV₃Sb₄는 60 mK까지의 모든 상전이 없이 비자기적 금속으로 남아 있지만, EuV₃Sb₄는 T_C = 32 K에서 강자성 유사 전이를 보이며, 평면에 쉽게 배열되는 이방성과 조절된 자기 상태의 힌트를 보이며, 카고메 격자에서 자기 순서를 조절할 수 있는 새로운 플랫폼을 확립한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자기모멘트를 조절할 수 있는 희토류 이온을 도입하여 바나듐 기반 카고메 금속의 가족을 확장하기 위해.
• 이동 전자 카고메 밴드 구조와 희토류 서브격자에서의 국소화된 자기모멘트 사이의 상호작용을 탐구하기 위해.
• 희토류 절곡형 사슬에서의 자기 순서가 카고메 금속의 전자적 및 자기적 성질에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• A-위치 치환자들을 통해 화학적 및 자기적 조절이 가능한 새로운 카고메 재료(AV₃Sb₄) 클래스를 확립하기 위해.

제안 방법

• 고품질 샘플을 확보하기 위해 유속법을 사용한 YbV₃Sb₄ 및 EuV₃Sb₄의 단일 결정 성장.
• 온도 및 외부 자기장에 따른 자화도 및 자화율을 측정하기 위해 SQUID 자화도 측정법을 통한 자기적 특성 분석.
• 열역학적 전이를 탐색하고 자기 엔트로피를 추출하기 위해 이완 기법을 사용한 열용량 측정.
• X선 회절 및 결정 구조 보정을 통해 AM₃X₄ 구조를 확인하고, 略로 변형된 카고메 네트와 절곡형 A-위치 사슬을 규명.
• 자기 데이터 분석을 위해 쿠리-우즈 법칙을 적용하고, 자기 기여를 분리하기 위해 비자기적 YbV₃Sb₄와 비교.
• YbV₃Sb₄를 비자기적 진동자 참조로 사용하여 EuV₃Sb₄의 자기 열용량과 엔트로피를 추출.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2가 이온인 희토류 이온(Yb²⁺, Eu²⁺)은 AV₃Sb₄ 구조에 안정적으로 통합되어 조절 가능한 자성을 가지는 카고메 금속을 형성할 수 있는가?
• RQ2 Eu²⁺ 존재 시 바나듐 카고메 격자에서 장거리 자기 순서가 유도되는가? 만약 그렇다면 그 성질과 전이 온도는 무엇인가?
• RQ3 EuV₃Sb₄의 자기 기저 상태는 단순한 강자성과 어떻게 다를까? 조절된 또는 기울인 순서의 존재를 뒷받침하는 증거는 무엇인가?
• RQ4 EuV₃Sb₄의 자기 성질은 S = 7/2 시스템에서 예상되는 바와 얼마나 다를까? 이러한 편차는 무엇에 기인하는가?
• RQ5 EuV₃Sb₄의 자기 엔트로피는 정량적으로 설명될 수 있는가? 그리고 완전히 순서가 된 8중도 기저 상태에 대해 예상되는 값에 도달하는가?

주요 결과

• YbV₃Sb₄는 60 mK에서 300 K 사이에서 어떤 부피 상전이도 관측되지 않으며, 폴리 파라자기성과 일치하는 비자기적 금속이다.
• EuV₃Sb₄는 T_C = 32 K에서 강자성 유사 전이를 보이며, 평면에 쉽게 배열되는 이방성과 T_C 이하에서 자화도에 쐐기형 모양의 변화를 보여 복잡한 자기 순서를 시사한다.
• 자기 열용량 분석 결과, EuV₃Sb₄의 자기 엔트로피는 16.8 J mol⁻¹ K⁻¹에 도달하여 S = 7/2 Eu²⁺ 이온의 예상값 R ln 8의 97%에 해당한다.
• 자기장이 c축에 수직일 경우의 자화율 데이터는 단순한 강자성보다 더 복잡한 기저 상태를 시사하며, 모멘트 기울임 또는 나선형 순서가 가능할 수 있다.
• 동일 온도에서의 자화도 데이터는 질량 보정 후에도 1 μB 모멘트 손실이 관측되어 바나듐 기여나 동적 효과 등 고려되지 않은 기여가 있을 수 있음을 시사한다.
• 자기장 하에서 T_C 근처의 열용량 비정상 현상은 온도가 낮아지면서 넓어지고 이격되며, 자기장 의존적인 자기 풍경 변화를 나타낸다.

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,