[论文解读] Crystal and magnetic structure of LaTiO3 : evidence for non-degenerate $t_{2g}$-orbitals

M. Cwik, T. Lorenz+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2003

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 17

一句话总结

本研究表明，LaTiO3 中的 TiO6 八面体发生显著结构畸变，导致 t2g 轨道能级分裂 0.24 eV，从而解释其反常磁性行为。非简并的 t2g 态——由类似 Jahn-Teller 的畸变驱动——抑制了轨道冻结，使低有序磁矩（0.46 μB）与缺乏强自旋-轨道耦合相协调，解决了该 Mott 绝缘体体系中长期存在的谜题。

ABSTRACT

The crystal and magnetic structure of LaTiO3 ~ has been studied by x-ray and neutron diffraction techniques using nearly stoichiometric samples. We find a strong structural anomaly near the antiferromagnetic ordering, T$_N$=146 K. In addition, the octahedra in LaTiO3 exhibit an intrinsic distortion which implies a splitting of the t2g-levels. Our results indicate that LaTiO3 should be considered as a Jahn-Teller system where the structural distortion and the resulting level splitting are enhanced by the magnetic ordering.

研究动机与目标

• 解决长期以来观察到的低有序磁矩（0.46 μB）与 LaTiO3 中单个 3d1 电子理论预期之间的矛盾。
• 研究 LaTiO3 中的结构畸变是否导致非简并的 t2g 轨道，从而影响其磁性和电子性质。
• 确定磁基态是否可在不引入强自旋-轨道耦合或轨道涨落的情况下得到解释。
• 阐明轨道简并性与 Jahn-Teller 效应对稀土钛酸盐反铁磁有序的作用。

提出的方法

• 对近乎化学计量的 LaTiO3 单晶进行了高分辨率粉末 X 射线和中子衍射，以确定晶体结构和磁结构。
• 采用热重分析和 SQUID 磁力测量验证化学计量比并确认奈尔温度（TN = 146 K）。
• 采用完整的马德隆点电荷模型并引入二级共价贡献，基于实验测得的晶体结构计算 t2g 轨道能级分裂。
• 分析晶格常数和原子位置随温度的变化，检测在 TN 附近是否存在结构异常。
• 将轨道波函数建模为 t2g 轨道的线性组合，结合观测到的畸变以确定轨道取向和各向异性。
• 将理论预测的有序磁矩（0.72 μB）与实验数据进行比较，考虑氧原子的共价性和自旋转移效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 LaTiO3 的晶体结构是否表现出一种能解除 t2g 轨道简并性的畸变？
• RQ2 LaTiO3 中观测到的低磁矩是否可由结构畸变引起的轨道分裂解释，而非自旋-轨道耦合？
• RQ3 LaTiO3 中的反铁磁有序是否由类似 Jahn-Teller 的畸变稳定，从而增强轨道分裂？
• RQ4 结构畸变如何影响轨道占据情况及由此产生的磁交换相互作用？
• RQ5 LaTiO3 中 t2g 轨道分裂的大小是多少？与自旋-轨道耦合能相比如何？

主要发现

• 在奈尔温度（TN = 146 K）处观察到明显的结构异常，表明晶格与磁序之间存在强耦合。
• LaTiO3 中的 TiO6 八面体表现出显著畸变，沿 a 轴拉长，导致 t2g 能级分裂达 0.24 eV。
• LaTiO3 中的 t2g 轨道为非简并态，其中一个轨道能级相对于其余两个降低 0.24 eV，后两者保持近乎简并。
• 占据的轨道为 t2g 态的线性组合，位于正交晶系的 b,c 平面内，与 c 轴成 56° 角，类似于 3z²−r² 轨道。
• 轨道分裂能级约为自旋-轨道耦合能量的十倍，表明轨道自由度未被冻结。
• 计算得到的有序磁矩（0.72 μB）因共价性和自旋向氧原子的转移而降低，与实验观测到的 0.46 μB 一致，支持其为软 Jahn-Teller 系统的模型。