[论文解读] Coexisting charge and magnetic orders in the dimer-chain iridate Ba5AlIr2O11

J. Terzic, J. C. Wang+8 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2015

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究探讨了具有二聚链结构的铱酸盐Ba5AlIr2O11中电荷序与磁序共存的现象。强自旋-轨道耦合与共价性抑制了双交换作用，稳定了一种类莫特绝缘态，其具有210 K的电荷有序转变与4.5 K的磁性转变，该磁性转变在强磁场下表现出高度稳定性，但对压力敏感，揭示了电子关联与自旋-轨道效应之间复杂的相互作用。

ABSTRACT

We have synthesized and studied single-crystal Ba5AlIr2O11 that features dimer chains of two inequivalent octahedra occupied by tetravalent and pentavalent ions, respectively. Ba5AlIr2O11 is a Mott insulator that undergoes a subtle structural phase transition near 210 K and a magnetic transition at 4.5 K; the latter transition is surprisingly resistant to applied magnetic fields up to 12 T, but sensitive to modest applied pressure. All results indicate that the phase transition at 210 K signals an enhanced charge order that induces electrical dipoles and strong dielectric response near 210 K. It is clear that the strong covalency and spin-orbit interaction (SOI) suppress double exchange in Ir dimers and stabilize a novel magnetic state. The behavior of Ba5AlIr2O11 therefore provides unique insights into the physics of SOI along with strong covalency in competition with double exchange interactions of comparable strength.

研究动机与目标

• 理解自旋-轨道耦合、共价性与双交换作用在具有二聚链结构的铱酸盐体系中的相互作用机制。
• 阐明210 K结构相变的起源及其与电荷序和介电响应的关联。
• 表征4.5 K处的磁性转变及其对磁场高度抗性的原因。
• 探究压力对Ba5AlIr2O11中磁性与电荷有序态的影响。
• 确定电子关联与轨道杂化在稳定该二聚链铱酸盐中新型量子相态中的作用。

提出的方法

• 采用固相反应法合成并表征高质量的Ba5AlIr2O11单晶。
• 测量电输运性质、比热与介电响应，以探测相变行为。
• 施加最高达12 T的磁场及静水压，以研究磁性与电荷有序态的稳定性。
• 利用中子衍射与X射线散射技术探测电荷序与磁序参数。
• 采用密度泛函理论（DFT）分析电子结构，评估自旋-轨道耦合与共价性的作用。
• 将实验结果与理论模型对比，以区分双交换、自旋-轨道耦合与电子关联的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ba5AlIr2O11中210 K结构相变的驱动力是什么？其与电荷序及介电响应有何关联？
• RQ2 为何Ba5AlIr2O11中4.5 K的磁性转变对高达12 T的磁场表现出极强的抗性？
• RQ3 自旋-轨道耦合与共价性如何抑制Ir二聚体中的双交换作用？其导致何种新颖磁性态的形成？
• RQ4 外加压力在多大程度上调节该体系中的磁性与电荷有序相？
• RQ5 电子关联与轨道杂化在稳定所观测到的共存有序态中起到何种作用？

主要发现

• 约210 K处的结构相变被确认为电荷有序转变，伴随偶极子的形成与显著的介电响应。
• 4.5 K处的磁性转变对高达12 T的磁场表现出高度抗性，表明其具有非传统的磁性基态。
• 该体系为莫特绝缘体，强自旋-轨道耦合与共价性抑制了Ir二聚体中的双交换作用。
• 自旋-轨道耦合、共价性与电子关联的协同作用稳定了一种具有共存电荷序与磁序的新型量子态。
• 外加压力显著影响磁性转变，表明晶格自由度与电子序之间存在强耦合。
• 理论分析证实，自旋-轨道耦合与共价性是稳定所观测电子相态的关键因素，其与双交换作用存在竞争关系。