[论文解读] Optical properties of ZnCr2Se4 - Spin-phonon coupling and electronic d-d-like excitations

T. Rudolf, Ch. Kant+5 more|ArXiv.org|Jul 18, 2008

Advanced Condensed Matter Physics被引用 12

一句话总结

本研究通过5至295 K的红外光谱测量及最高达28,000 cm⁻¹的光谱分析，探究了ZnCr₂Se₄的光学性质，发现在反铁磁转变温度（21 K）处，一个声子模式出现3 cm⁻¹的分裂，表明存在自旋-声子耦合，且该分裂在7 T磁场下消失。在约18,000和22,000 cm⁻¹处观察到两个强度较大的电子激发峰，其较大的振子强度归因于Cr³⁺离子的d-d晶体场跃迁，且受显著的Cr 3d–Se 4p杂化增强。

ABSTRACT

We studied the optical properties of antiferromagnetic ZnCr2Se4 by infrared spectroscopy up to 28,000 cm-1 and for temperatures from 5 to 295 K. At the magnetic phase transition at 21 K, one of the four phonon modes reveals a clear splitting of 3 cm-1 as a result of spin-phonon coupling, the other three optical eigenmodes only show shifts of the eigenfrequencies. The antiferromagnetic ordering and the concomitant splitting of the phonon mode can be suppressed in a magnetic field of 7 T. At higher energies we observed a broad excitation band which is dominated by a two-peak-structure at about 18,000 cm-1 and 22,000 cm-1, respectively. These energies are in good agreement with the expected spin-allowed crystal-field transition of the Cr3+ ions. The unexpected strength of these forbidden onsite d-d transitions is attributed to a considerable hybridization of the selenium p with the chromium d orbitals.

研究动机与目标

• 理解自旋-声子耦合在ZnCr₂Se₄反铁磁转变温度21 K处磁致结构转变中的作用。
• 探究尽管遵循宇称选择定则，硫属化物尖晶石中d-d电子跃迁为何表现出异常强烈的强度。
• 确定外加磁场（7 T）在多大程度上抑制反铁磁有序并恢复立方对称性。
• 利用反射率与Kramers-Kronig分析，研究声子模式与电子激发的温度和磁场依赖性。

提出的方法

• 在5 K至295 K的温度范围内，对ZnCr₂Se₄单晶进行了50至28,000 cm⁻¹的傅里叶变换红外反射率测量。
• 采用Lorentz模型拟合介电函数以描述声子模式：ε(ω) = ε∞ + Σ[Δε·ωTO,j² / (ωTO,j² − ω² − iγjω)]。
• 应用Kramers-Kronig关系，从反射率数据推导出光学电导率与介电损耗函数。
• 通过双高斯峰拟合电子激发，以提取跃迁能量与振子强度。
• 分析声子频率、阻尼与介电强度随温度与磁场的变化。
• 将结果与理论模型及同类尖晶石的先前数据进行比较，评估杂化与对称性破缺的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在ZnCr₂Se₄的声子谱中，自旋-声子耦合在反铁磁转变温度21 K附近如何体现？
• RQ2 为何ZnCr₂Se₄中Cr³⁺离子的d-d晶体场跃迁尽管遵循宇称选择定则，却表现出异常大的振子强度？
• RQ3 外加7 T磁场在多大程度上抑制ZnCr₂Se₄中的反铁磁有序并恢复立方对称性？
• RQ4 ZnCr₂Se₄中的电子激发能量与相关尖晶石相比如何？其强度为何如此之强？
• RQ5 Cr 3d–Se 4p杂化在增强硫属化物尖晶石中d-d跃迁振子强度方面起何种作用？

主要发现

• 在21 K时，ZnCr₂Se₄中一个红外活性声子模式出现3 cm⁻¹的分裂，为自旋-声子耦合提供了直接证据，源于反铁磁有序。
• 在7 T磁场下，声子模式分裂消失，表明反铁磁有序被完全抑制，立方对称性得以恢复。
• 在18,041 cm⁻¹与22,000 cm⁻¹处识别出两个强电子激发峰，对应于Cr³⁺离子的自旋允许d-d晶体场跃迁。
• 这些跃迁的振子强度（10⁻¹至10⁰）远超典型d-d跃迁值，归因于Cr 3d与Se 4p轨道之间的强杂化。
• 电子跃迁的温度依赖性在Néel温度附近无显著变化，表明其与磁序的耦合较弱。
• 同步辐射X射线数据表明，在顺磁相中可能存在低对称性畸变，可能在Cr位点破坏反演对称性，从而解释振子强度的增强。