[論文レビュー] Anisotropic magnetic property of single crystals $R$V$_6$Sn$_6$ ($R$ = Y, Gd - Tm, Lu)

Jeong Hun Lee, Eundeok Mun|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2022

Rare-earth and actinide compounds被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、スズフラックス法を用いて合成された単結晶 R V6Sn6 (R = Y, Gd–Tm, Lu) の異方性磁気的性質を調査する。強い結晶場効果に起因する磁気的異方性が明らかとなり、容易磁化軸は Tb–Ho で c 軸、Er–Tm で ab 平面である。Gd–Ho では 4.9 K 未満で反強磁性転移を示し、Er および Tm では 1.8 K まで長距離秩序が観察されない。バナジウムイオンは非磁性であり、磁気的性質は希土類元素の局在的 4f スピンに起因する。

ABSTRACT

$R$V${_6}$Sn${_6}$ ($R$ = Y, Gd - Tm, Lu) single crystals are synthesized by Sn-flux method and their physical properties are characterized by magnetization, resistivity, and specific heat measurements. Powder X-ray diffraction patterns of all samples can be well indexed with the hexagonal HfFe$_6$Ge$_6$-type structure, where rare-earth atoms form hexagonal layers and vanadium atoms form Kagome layers. At high temperatures, magnetic susceptibility measurements of moment bearing rare-earths ($R$ = Gd - Tm) follow Curie-Weiss behavior. Effective moments estimated from the polycrystalline average of magnetic susceptibility curves are consistent with the values for free $R^{3+}$ ion. Strong magnetic anisotropy due to crystalline electric field effects is observed for moment bearing rare-earths, except GdV$_6$Sn$_6$. The easy magnetization direction is determined to be $c$-axis for $R$ = Tb - Ho and $ab$-plane for $R$ = Er, and Tm. The vanadium ions in $R$V${_6}$Sn${_6}$ possess no magnetic moment. The compounds for $R$ = Y and Lu exhibit typical characteristics of paramagnetic metals. At low temperatures, the magnetic ordering is confirmed from magnetization, specific heat, and resistivity: the highest $T_{N} = 4.9$~K for GdV$_6$Sn$_6$ and the lowest $T_{N} = 2.3$~K for HoV$_6$Sn$_6$. No magnetic ordering is observed down to 1.8~K for $R$ = Er and Tm. A slight deviation of the magnetic ordering temperature from the de Gennes scaling suggests the dominant Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) exchange interaction between rare-earth moments in metallic $R$V${_6}$Sn${_6}$ compounds.

研究の動機と目的

• 単結晶 R V6Sn6 (R = Y, Gd–Tm, Lu) 化合物における磁気的異方性および秩序化挙動を調査すること。
• これらのインタメタリック系において、希土類元素の 4f スピンに及ぼす結晶場効果（CEF）の役割を特定すること。
• R V6Sn6 に磁気的秩序が生じるか、磁気的基底状態の性質を明確にすること。
• R V6Sn6 のバナジウムイオンが非磁性であることを確立し、磁気的応答が希土類元素の 4f 電子に起因することを明確にすること。
• 非磁性 V アトムからなる 2次元カゴメ格子における RKKY 相互作用と幾何的縮重の相乗効果を調査すること。

提案手法

• R V6Sn6 単結晶は、1:6:62 の R:V:Sn 比を用い、1225 °C から 850 °C まで 1.25 °C/h の速度でゆっくり冷却するスズフラックス法により成長した。
• 粉末 X 線回折（XRD）により、HfFe6Ge6 型の六方晶構造が確認され、R 原子は六方晶層に、V はカゴメ層に配置されている。
• 1.8 K から 300 K まで、最大 70 kOe の磁場を印加しながら、直流磁化率、抵抗率、比熱測定を実施した。
• 磁気的異方性は、磁化を温度および磁場方向（c 軸対 ab 平面）の関数として測定することで決定した。
• 多結晶平均化した磁化率データから、有効磁気モーメントおよびクーリ・ワウス挙動を抽出した。
• Cm/T の積分を用いたエントロピー解析により、結晶場準位の基底状態多重度を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 R V6Sn6 (R = Y, Gd–Tm, Lu) 単結晶の結晶構造および磁気的異方性は何か？
• RQ2 結晶場効果が磁気的秩序および磁化の容易軸にどのように影響を与えるか？
• RQ3 反強磁性転移はどの温度で発生し、どの希土類化合物が 1.8 K 未満で秩序化するか？
• RQ4 GdV6Sn6 の磁気的エントロピーは TN で予想される Rln(8) 値よりも小さいが、その理由は何か？
• RQ5 RKKY 相互作用および幾何的縮重は、これらのカゴメ格子系の磁気的基底状態にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• すべての R V6Sn6 化合物は、HfFe6Ge6 型の六方晶構造に結晶化し、V は孤立したカゴメ層を形成し、R は三角形格子を形成する。
• 結晶場効果に起因する強い磁気的異方性が観察され、Tb–Ho では磁化の容易方向は c 軸、Er および Tm では ab 平面である。
• GdV6Sn6 では TN = 4.9 K、HoV6Sn6 では TN = 2.3 K で反強磁性秩序が観察され、ErV6Sn6 および TmV6Sn6 では 1.8 K まで長距離秩序は観察されない。
• クーリ・ワウスフィットから得られる有効磁気モーメントは、自由な R3+ イオンの値と一致し、局在的 4f スピンの存在を確認する。
• 比熱およびエントロピー解析から、TbV6Sn6 は擬似二重項基底状態（S_m ≈ Rln(2)）、DyV6Sn6 はクライマー二重項、HoV6Sn6 は三重項または擬似三重項状態（S_m > Rln(3)）の可能性が示唆される。
• GdV6Sn6 の磁気的エントロピーが TN で予想値の約 50% にしか回復しないことは、磁気的サイト不均一性または非同一スピン構造の可能性を示唆しており、モーメントの大きさの一致とは対照的である。