[論文レビュー] Electronic and magnetic properties of intermetallic Kagome magnets $R$V$_6$Sn$_6$ ($R$ = Tb - Tm)

X. X. Zhang, Z. Y. Liu+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2022

Hydrogen Storage and Materials被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、R V₆Sn₆（R = Tb–Tm）のインタメタリック化合物の電子的および磁気的性質を調査し、磁性を持たないバナジウムカゴーメ格子と磁性を持つレアアース元素の三角格子の相関を明らかにした。0.4 Kまで超伝導性や電荷密度波秩序は観察されず、Tb、Dy、Ho化合物では明確な磁気的秩序が観測された一方、ErとTmは容易面異方性のため磁気的不規則性を示した。多バンド輸送特性が観測され、カゴーメ格子を基盤とするインタメタリックにトポロジカルな特徴が関与している可能性が示唆された。

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.

研究の動機と目的

• 新しいインタメタリックカゴーメ磁性体R V₆Sn₆（R = Tb–Tm）の電子的および磁気的性質を調査し、磁性を持たないVカゴーメ格子と磁性を持つR三角格子の相関を明らかにすること。
• 異なるRイオン（Tb、Dy、Ho、Er、Tm）の磁気的秩序転移温度および異方性の種類を特定し、結晶場分裂および4f–3d交換結合と照らし合わせること。
• 輸送および熱力学的測定を用いて、超伝導性、電荷密度波秩序、またはトポロジカルな電子状態の有無を評価すること。
• 二バンドモデルを用いて多バンド輸送特性を特徴づけ、キャリア濃度および移動度を抽出すること。
• レアアースイオン固有の結晶場効果が磁気的異方性および潜在的なトポロジカル相を媒介する役割を果たすかを検討すること。

提案手法

• 高溫度フラックス法を用いてR V₆Sn₆（R = Tb–Tm）の単結晶を合成し、X線回折で相純度を確認した。
• 磁性の遷移を特定し、磁気的異方性を決定するために、磁化率および磁化測定を実施した。
• キャリア濃度および移動度を抽出するために、二バンドモデルを用いた電気的輸送測定（抵抗率およびホール効果）を実施した。
• ホール電導度σ_xy(H)を二キャリアモデルでフィッティングし、式：σ_xy = [n_h μ_h² / (1 + (μ_h B)²) - n_e μ_e² / (1 + (μ_e B)²)] eB を用い、ρ_xyおよびρ_xxを入力とした。
• 0.4 Kまで超伝導性や電荷秩序の有無を確認するため、比熱測定を実施した。
• 観測された磁気的異方性を、R³⁺イオンの結晶場状態および4f–3d交換結合への影響と照らし合わせた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 R V₆Sn₆（R = Tb–Tm）は、0.4 Kまで超伝導性または電荷密度波秩序を示すか？
• RQ2 R V₆Sn₆における磁気的秩序の性質は何か？ また、Rイオン（Tb、Dy、Ho、Er、Tm）によってどのように変化するか？
• RQ3 R³⁺イオンの結晶場分裂および磁気的異方性が、磁気的構造および4f–3d交換結合に与える影響は何か？
• RQ4 これらの材料におけるキャリア輸送特性は何か？ また、非自明なバンドトポロジーを示唆するか？
• RQ5 TmV₆Sn₆は有限の負のクーリー・ワイス温度を示すにもかかわらず、なぜ磁気的不規則性を示すのか？ これは磁気的フラストレーションを何を示唆するか？

主な発見

• 抵抗率、比熱、磁化率測定により、0.4 KまでいかなるR V₆Sn₆化合物に対しても超伝導性や電荷秩序は観察されなかった。
• TbV₆Sn₆では4.4 Kで磁気的秩序が検出され（Ising型、c軸配向）、DyV₆Sn₆では3 K（容易軸）、HoV₆Sn₆では2.5 K（より等方的）で磁気的秩序が観測され、R³⁺イオンに依存する強い異方性が示された。
• ErV₆Sn₆およびTmV₆Sn₆では0.4 Kまで磁気的秩序は観測されず、TmV₆Sn₆は容易面異方性を示し、クーリー・ワイス温度が-3.18 Kであったため、磁気的フラストレーションが示唆された。
• すべての化合物で100 K未満で二バンド輸送特性が観測され、キャリア濃度および移動度は強い温度依存性を示し、低温で発散した。
• 150 K以上ではホールキャリアが支配的であるが、100 K未満では電子とホールの移動度が同等になり、TbV₆Sn₆では電子キャリアが支配的、HoV₆Sn₆ではホールキャリアが支配的となった。
• 多バンド輸送特性およびYV₆Sn₆およびGdV₆Sn₆と類似したバンド構造は、このR V₆Sn₆系に非自明なトポロジカルな電子状態が存在する可能性を示唆した。