[论文解读] Breathing Pyrochlore Lattice Realized in A-Site Ordered Spinel Oxides LiGaCr4O8 and LiInCr4O8

Yoshihiko Okamoto, Nilsen, Gøran J.+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2013

Advanced Condensed Matter Physics被引用 8

一句话总结

本研究识别出LiGaCr₄O₈和LiInCr₄O₈为独特的A位有序尖晶石氧化物，其具有由Li⁺与Ga³⁺/In³⁺离子尺寸失配引起的呼吸型钙钛矿晶格结构，导致Cr³⁺四面体呈现交替的大小排列。呼吸因子𝐵_f = 𝐽′/𝐽调控磁性几何阻挫，其中LiGaCr₄O₈（𝐵_f ≈ 0.6）表现出常规反铁磁有序，而LiInCr₄O₈（𝐵_f ≈ 0.1）则表现出自旋能隙行为，表明其接近量子自旋液体基态。

ABSTRACT

A unique type of frustrated lattice is found in two A-site ordered spinel oxides, LiGaCr4O8 and LiInCr4O8. Because of the large size mismatch between Li+ and Ga3+/In3+ ions at the A site, the pyrochlore lattice, made up of Cr3+ ions carrying spin 3/2, becomes an alternating array of small and large tetrahedra, i.e., a "breathing" pyrochlore lattice. We introduce a parameter, the breathing factor Bf, which quantifies the degree of frustration in the pyrochlore lattice: Bf is defined as J'/J, where J' and J are nearest-neighbor magnetic interactions in the large and small tetrahedra, respectively. LiGaCr4O8 with Bf ~ 0.6 shows magnetic susceptibility similar to that of conventional Cr spinel oxides such as ZnCr2O4. In contrast, LiInCr4O8 with a small Bf ~ 0.1 exhibits a spin-gap behavior in its magnetic susceptibility, suggesting a proximity to an exotic singlet ground state. Magnetic long-range order occurs at 13.8 and 15.9 K for LiGaCr4O8 and LiInCr4O8, respectively, in both cases likely owing to the coupling to structural distortions.

研究动机与目标

• 研究A位有序尖晶石氧化物LiGaCr₄O₈和LiInCr₄O₈的磁性性质，其具有独特的呼吸型钙钛矿晶格结构。
• 确定离子尺寸失配引起的晶格畸变如何影响阻挫Cr³⁺自旋系统中的磁相互作用与基态行为。
• 通过呼吸因子𝐵_f = 𝐽′/𝐽量化几何阻挫程度，并评估其在稳定奇异量子态中的作用。
• 探讨晶格呼吸与钙钛矿反铁磁体中自旋能隙行为或自旋液体样特征出现之间的关联。

提出的方法

• 利用粉末中子衍射进行晶体结构分析，以确认LiGaCr₄O₈和LiInCr₄O₈中A位的有序性并测定晶格参数。
• 定义呼吸因子𝐵_f = 𝐽′/𝐽，以量化钙钛矿晶格中大四面体与小四面体之间反铁磁相互作用的比值。
• 通过磁化率测量和经典蒙特卡罗模拟拟合磁交换相互作用𝐽和𝐽′，使用ALPS spinmc程序。
• 将实验数据与关联Cr–Cr键长与交换耦合的通用标度线进行比较，以估算𝐽和𝐽′。
• 分析比热数据以识别磁相变并评估熵释放，表明存在短程序或自旋能隙。
• 利用非弹性中子散射和NMR/X射线衍射探测奈尔温度附近的磁性和结构相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 Li⁺与Ga³⁺/In³⁺之间的离子尺寸失配如何在A位有序尖晶石氧化物的Cr³⁺钙钛矿晶格中诱导呼吸畸变？
• RQ2 呼吸因子𝐵_f = 𝐽′/𝐽在将磁性基态从常规长程有序调制为自旋能隙行为中起什么作用？
• RQ3 为何LiInCr₄O₈表现出自旋能隙行为，尽管存在长程磁序，表明其接近量子自旋液体态？
• RQ4 结构畸变与自旋-晶格耦合在这些阻挫体系中磁有序转变中的驱动作用有多大？
• RQ5 呼吸型钙钛矿晶格能否作为可调平台，用于探索单重态禁闭态与自旋液体行为之间的交叉过渡？

主要发现

• LiGaCr₄O₈的呼吸因子𝐵_f ≈ 0.6，其磁化率与ZnCr₂O₄等典型铬尖晶石氧化物相似，表明存在中等程度的阻挫。
• LiInCr₄O₈的呼吸因子较小，𝐵_f ≈ 0.1，其磁化率中表现出明显的自旋能隙行为，表明其接近量子自旋液体基态。
• 磁长程有序温度分别为13.8 K（LiGaCr₄O₈）和15.9 K（LiInCr₄O₈），比热数据表明在𝑇_N以上存在显著的自旋熵保留，归因于短程序。
• 估算的交换相互作用为：LiGaCr₄O₈（𝐵_f ≈ 0.6）中𝐽 ≈ 62.9 K，𝐽′ ≈ 37.7 K；LiInCr₄O₈（𝐵_f ≈ 0.1）中𝐽 ≈ 56.8 K，𝐽′ ≈ 6.8 K，该结果通过拟合蒙特卡罗模拟和通用标度获得。
• 磁性转变在高达9 T的外磁场下仍保持稳定，表明有序态并非由外场驱动，而更可能源于自旋-晶格耦合与结构畸变。
• LiGaCr₄O₈在𝑇_N以上𝐶_p/𝑇中出现宽肩峰，且LiInCr₄O₈中存在熵释放，表明即使在有序相中阻挫效应依然存在，暗示残余量子涨落。