[论文解读] Glass-like thermal conductivity and narrow insulating gap of EuTiO$_3$

Alexandre Jaoui, Shan Jiang+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2023

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 4

一句话总结

本研究揭示，尽管EuTiO₃的Néel温度为5.5 K，其仍表现出类似玻璃的热导率，这是由于Eu²⁺ 4f电子引起的强自旋-声子耦合所致。尽管该材料是一种简单的G型反铁磁体，且无磁性阻挫，但Eu位点上大磁矩的随机取向显著抑制了热导率，使其在广阔温度范围内降低至与非晶二氧化硅相当的水平，且具有约0.22 eV的窄带隙。

ABSTRACT

Crystals and glasses differ by the amplitude and the temperature dependence of their thermal conductivity. However, there are crystals known to display glass-like thermal conductivity. Here, we show that EuTiO$_3$, a quantum paraelectric known to order antiferromagnetically at 5.5 K, is one such system. The temperature dependence of resistivity and Seebeck coefficient yield an insulating band gap of $\sim 0.22$ eV. Thermal conductivity is drastically reduced. Its amplitude and temperature dependence are akin to what is seen in amorphous silica. Comparison with non-magnetic perovskite solids, SrTiO$_3$, KTaO$_3$, and EuCoO$_3$, shows that what impedes heat transport are $4f$ spins at Eu$^{2+}$ sites, which couple to phonons well above the ordering temperature. Thus, in this case, superexchange and valence fluctuations, not magnetic frustration, are the drivers of the glass-like thermal conductivity.

研究动机与目标

• 研究EuTiO₃中异常低热导率的起源，该材料是一种在5.5 K时具有反铁磁序的量子反电介质。
• 确定磁自由度，特别是Eu²⁺ 4f自旋，是否导致了类似玻璃的热输运行为。
• 澄清自旋-声子耦合而非磁性阻挫或自旋液体行为，是否主导了晶格热导率的抑制。
• 利用电输运和热电功率数据测量EuTiO₃的本征电子带隙。
• 将EuTiO₃的热输运与非磁性 perovskite（SrTiO₃、KTaO₃、EuCoO₃）进行比较，以分离4f电子的作用。

提出的方法

• 通过Arrhenius分析测量单晶EuTiO₃的电导率和塞曼系数，以提取活化能和带隙。
• 利用温度依赖性热导率测量，将EuTiO₃与SrTiO₃、KTaO₃和EuCoO₃的行为进行比较。
• 应用线性化玻尔兹曼输运方程建模声子输运，并从热导率数据推断声子平均自由程。
• 利用声速（6.8 km/s）估算声子平均自由程，并与热波矢量q_s = k_B T / (ħ v_s)进行比较，以评估局域化效应。
• 通过理论建模声子模之间的非对角耦合，评估自旋-声子耦合，将公式(1)扩展以包含自旋-晶格杂化。
• 分析晶体结构和超交换路径（通过Ti和O），评估自旋取向如何调制原子间力常数和声子色散关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在缺乏磁性阻挫或自旋液体特征的情况下，是什么导致了EuTiO₃中类似玻璃的热导率？
• RQ2 Eu²⁺ 4f电子的存在如何影响Néel温度以上的声子输运？
• RQ3 EuTiO₃的本征电子带隙是多少？其与光学和从头算估算值相比如何？
• RQ4 Eu位点上随机磁矩在多大程度上破坏了声子相干性并降低了热导率？
• RQ5 所观测到的热输运行为是否可由声子与参磁子之间的非对角耦合解释，而非传统的声子散射？

主要发现

• 通过电阻率和热电功率的Arrhenius分析，EuTiO₃表现出约0.22 eV的窄本征带隙，与从头算预测一致。
• EuTiO₃的热导率显著降低，且表现出单调温度依赖性，类似于非晶二氧化硅，表明其具有类似玻璃的行为。
• 热导率的抑制发生在远高于Néel温度（5.5 K）的区域，即使磁熵已饱和，表明顺磁性4f自旋足以散射声子。
• 声子散射的主要来源是Eu²⁺位点上大磁矩（6.9–7 μB）的随机取向，通过自旋-晶格耦合破坏声子相干性。
• 在低于20 K的温度下，声子平均自由程降至10 nm以下，此时q_s ℓ_ph ≈ 1，表明由于自旋无序而出现类似Anderson局域化的开始。
• 所观测到的热导率抑制归因于声子与参磁子之间的非对角耦合，而非磁性阻挫，且与自旋液体体系有本质区别。