[论文解读] Comparative Study of Magnetocaloric Properties for Gd 3 + Compounds with Different Frustrated Lattice Geometries

EliseAnne C. Koskelo, Paromita Mukherjee+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2023

Advanced Condensed Matter Physics被引用 1

一句话总结

本研究通过实验探究了具有不同几何阻挫晶格结构（kagome、garnet、pyrochlore 和 fcc）的 Gd3+ 化合物的磁热效应，发现晶格几何结构对磁熵变有显著影响。尽管理论预测软模模式数与增强制冷性能相关，但 fcc 晶格的 ∆Sm 比角共享晶格高出 30–95%，这是由于其主导的顺磁响应所致，且在液氦温区（2–20 K）中自旋关联效应强于量子化效应。

ABSTRACT

As materials with suppressed ordering temperatures and enhanced ground state entropies, frustrated magnetic oxides are ideal candidates for cryogenic magnetocaloric refrigeration. While previous materials design has focused on tuning the magnetic moments, their interactions, and density of moments on the lattice, there has been relatively little attention to frustrated lattices. Prior theoretical work has shown that the magnetocaloric cooling rate at the saturation field is proportional to a macroscopic number of soft mode excitations that arise due to the classical ground state degeneracy. The number of these modes is directly determined by the geometry of the frustrating lattice. For corner-sharing geometries, the pyrochlore has 50\% more modes than the garnet and kagome lattices, whereas the edge-sharing \emph{fcc} has only a subextensive number of soft modes. Here, we study the role of soft modes in the magnetocaloric effect of four large-spin Gd$^{3+}$ ($L=0$, $J=S=7/2$) Heisenberg antiferromagnets on a kagome, garnet, pyrochlore, and \emph{fcc} lattice. By comparing measurements of the magnetic entropy change $ΔS_m$ of these materials at fields up to $9$~T with predictions using mean-field theory and Monte Carlo simulations, we are able to understand the relative importance of spin correlations and quantization effects. We observe that tuning the value of the nearest neighbor coupling has a more dominant contribution to the magnetocaloric entropy change in the liquid-He cooling regime ($2$-$20$~K), rather than tuning the number of soft mode excitations. Our results inform future materials design in terms of dimensionality, degree of magnetic frustration, and lattice geometry.

研究动机与目标

• 确定晶格几何结构如何影响阻挫 Gd3+ 氧化物的磁热性质。
• 检验理论预测：软模模式数与磁热制冷速率成正比。
• 分离自旋关联、量子化效应和超交换作用在决定磁熵变 ∆Sm 中的贡献。
• 通过识别适用于低温制冷的最优阻挫晶格，为未来材料设计提供指导。

提出的方法

• 在最高 9 T 的磁场下，测量了四种 Gd3+ 氧化物（kagome、garnet、pyrochlore、fcc）的磁熵变 ∆Sm。
• 采用平均场理论和经典 Heisenberg 自旋的蒙特卡洛模拟来建模自旋关联。
• 应用量化自旋计算以评估量子效应与经典关联的相对贡献。
• 通过超交换耦合强度对 ∆Sm 进行归一化，以分离几何结构的贡献。
• 对 X 射线衍射数据进行 Rietveld 精修，以确认晶体结构和占据度。
• 将实验测得的 ∆Sm 与基于软模模式数和晶格几何结构的理论预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 理论预测的软模模式数是否与 Gd3+ 化合物中实验观测到的磁热熵变存在相关性？
• RQ2 在 2–20 K 温区，自旋关联与量子效应在 ∆Sm 中的贡献如何比较？
• RQ3 为何 fcc 晶格在软模模式数更少的情况下，仍表现出显著更高的 ∆Sm？
• RQ4 超交换耦合强度在独立于晶格几何结构的前提下，对磁热响应的调制程度如何？
• RQ5 晶格几何结构能否作为提升低温磁热性能的主要设计参数？

主要发现

• 在 2–20 K 温区，fcc 晶格的磁熵变 ∆Sm 比角共享晶格（kagome、garnet、pyrochlore）高出 30–95%，尽管其软模模式数为次扩展量级。
• 对三维角共享晶格（pyrochlore、garnet、kagome）而言，归一化后的 ∆Sm 与软模模式数呈定性正比关系，支持理论预测。
• fcc 晶格中 ∆Sm 的增强归因于其顺磁响应，而非软模贡献，表明晶格维数和连通性起主导作用。
• 在自旋量子数较大的 Gd3+（S = 7/2）体系中，自旋关联对 ∆Sm 的决定作用仍强于量子化效应。
• 调节最近邻超交换耦合对 ∆Sm 的影响，显著大于调整软模模式数的影响。
• 结果表明，在液氦温区中，晶格几何结构与自旋关联效应比软模模式数对优化磁热性能更为关键。