[论文解读] Magnetic Ordering in the Frustrated Heisenberg Chain System Cupric Chloride, CuCl$_2$

Michael Banks, R. K. Kremer+7 more|ArXiv.org|Apr 19, 2009

Advanced Condensed Matter Physics被引用 8

一句话总结

本研究通过中子衍射和DFT计算，首次在无水CuCl₂中确定了非共格螺旋磁基态，该物质为一维受挫的海森堡自旋链体系。自旋螺旋序（传播矢量为(1, 0.2257, 0.5)）源于沿b轴方向竞争的铁磁性近邻自旋交换与反铁磁性次近邻自旋交换作用，使CuCl₂成为首个经明确实验证实具有螺旋磁序的卤化物体系，并在TN = 23.9 K以下具有多铁性行为的候选特性。

ABSTRACT

We report a detailed examination the magnetic structure of anhydrous cupric chloride CuCl2 carried out by powder neutron diffraction, magnetic susceptibility and specific heat measurements on polycrystalline and single crystal samples as well as an evaluation of the spin exchange interactions by first principles density functional theory (DFT) calculations. Anhydrous CuCl2 shows one dimensional antiferromagnetic behavior and long range antiferromagnetic ordering below a Neel temperature of 23.9 K. Neutron powder and single crystal diffraction reveal that, below 23.9K, CuCl2 undergoes a phase transition into an incommensurate magnetic structure (propagation vector (1,0.2257,0.5) with a spin-spiral propagating along b and the moments confined in the bc crystallographic plane. Our DFT calculations show that the spin-spiral results from competing ferromagnetic nearest neighbor and antiferromagnetic next-nearest neighbor spin-exchange interaction along the spin chains. Implications for possible multiferroic behavior of CuCl2 are discussed.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于无水CuCl₂磁结构的模糊性，该体系为典型的1D量子自旋体系。
• 通过识别主导自旋交换相互作用，确定CuCl₂中非共格磁序的起源。
• 基于其磁结构与电子结构，评估CuCl₂在多铁性行为方面的潜力。
• 在低维体系中建立电子结构计算与实验磁性性质之间的关联。

提出的方法

• 利用粉末和单晶中子衍射测定磁结构及传播矢量。
• 通过磁化率和比热测量探测体相磁转变及短程关联。
• 采用从头算密度泛函理论（DFT）计算评估自旋交换相互作用及其相对强度。
• 通过脉冲磁场磁化率测量研究自旋翻转行为及场致相变。
• 采用弛豫法与Nernst型绝热量热法对单晶和粉末样品进行高精度比热测量。
• 利用定向控制样品取向的电子顺磁共振（EPR）光谱探测局域磁各向异性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Néel温度23.9 K以下，无水CuCl₂的真实磁结构是什么？
• RQ2 近邻（NN）与次近邻（NNN）自旋交换相互作用在驱动观测到的磁序中，其相对贡献如何？
• RQ3 CuCl₂中FM NN与AFM NNN交换作用的竞争是否如理论预测的那样导致螺旋自旋螺旋基态？
• RQ4 由于自旋螺旋序与自旋-晶格耦合，CuCl₂是否可能表现出多铁性行为？
• RQ5 链间相互作用如何影响观测到的磁短程序与比热异常？

主要发现

• 在23.9 K以下，CuCl₂的磁结构为非共格自旋螺旋，传播矢量为(1, 0.2257(6), 0.5)，证实其为螺旋基态。
• 自旋螺旋沿b轴传播，且局限于bc晶轴平面内，与在外磁场沿b方向时观测到的自旋翻转转变一致。
• DFT计算表明，竞争的铁磁性近邻（≈10 meV）与反铁磁性次近邻（≈7 meV）交换作用是自旋螺旋的起源。
• 磁结构的原胞几乎为核原胞的四倍，相邻自旋间夹角约为81°，从而降低近邻交换能。
• CuCl₂中短程磁贡献的比热更符合二聚体单重态-三重态激发模型（J ≈ -117 K），而非纯海森堡链模型，表明存在强关联效应。
• 链间相互作用估计为链内耦合的20–30%，有助于解释磁化率的宽峰，并改善与理论模型的符合度。