[论文解读] On the complexity of spinels: Magnetic, electronic, and polar ground states

V. Tsurkan, Hans‐Albrecht Krug von Nidda+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2021

Multiferroics and related materials参考文献 483被引用 180

一句话总结

本综述综合了超过一个世纪的尖晶石研究，聚焦于AB₂X₄化合物中自旋、电子与晶格自由度的相互作用。它强调了尖晶石——尤其是具有A位（金刚石）和B位（钙钛矿）几何阻挫的体系——表现出诸如自旋液体、轨道玻璃和多铁相等非寻常基态，近期发现包括在强磁场下出现的Merons以及自旋超流体/超固相。

ABSTRACT

This review summarizes more than 100 years of research on spinel compounds, mainly focusing on the progress in understanding their magnetic, electronic, and polar properties during the last two decades. Many spinel compounds are magnetic insulators or semiconductors; however, a number of spinel-type metals exists including superconductors and some rare examples of d-derived heavy-fermion compounds. In the early days, they gained importance as ferrimagnetic or even ferromagnetic insulators with relatively high saturation magnetization and high ordering temperatures, with magnetite being the first magnetic mineral known to mankind. However, spinels played an outstanding role in the development of concepts of magnetism, in testing and verifying the fundamentals of magnetic exchange, in understanding orbital-ordering and charge-ordering phenomena. In addition, the A- site as well as the B-site cations in the spinel structure form lattices prone to strong frustration effects resulting in exotic ground-state properties. In case the A-site cation is Jahn-Teller active, additional entanglements of spin and orbital degrees of freedom appear, which can give rise to a spin-orbital liquid or an orbital glass state. The B-site cations form a pyrochlore lattice, one of the strongest contenders of frustration in three dimensions. In addition, in spinels with both cation lattices carrying magnetic moments, competing magnetic exchange interactions become important, yielding ground states like the time-honoured triangular Yafet-Kittel structure. Finally, yet importantly, there exists a long-standing dispute about the possibility of a polar ground state in spinels, despite their reported overall cubic symmetry. Indeed, over the years number of multiferroic spinels were identified.

研究动机与目标

• 综合并分析超过100年来的尖晶石化合物研究，尤其聚焦于过去二十年的进展。
• 阐明具有部分填充d电子壳层的尖晶石中自旋、电荷、轨道与晶格自由度之间的复杂相互作用。
• 研究在阻挫尖晶石体系中出现的奇异量子基态（如自旋液体、轨道玻璃和多铁相）的起源。
• 考察磁阻挫、竞争性交换相互作用及自旋-晶格耦合在决定复杂相图中的作用。
• 评估长期悬而未决问题的实验与理论现状，包括名义上具有中心对称性的尖晶石中的极性基态，以及自旋超流体/超固相的本质。

提出的方法

• 系统性回顾超过200种尖晶石化合物（AB₂X₄）的实验与理论研究，重点关注单晶与多晶样品。
• 分析高达100 T的高场及高达40 GPa的高压测量，以绘制(H, T)与(P, T)相图。
• 利用X射线吸收谱与X射线磁圆二向色谱（XMCD）探测局域电子结构与磁矩取向。
• 理论建模A位（金刚石）与B位（钙钛矿）亚晶格中的自旋-晶格耦合、轨道有序化及竞争性交换相互作用。
• 通过比较多个化合物家族，研究Verwey转变、金属-绝缘体转变及重费米子行为。
• 合成与表征尖晶石薄膜与异质结构，以探索纳米结构体系中的新兴功能特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无极性畸变的情况下，由矢量手性驱动的尖晶石中多铁性的微观起源是什么，尤其是当其源于自旋手性时？
• RQ2 在具有阻挫的A位（金刚石）与B位（钙钛矿）晶格上，竞争性交换相互作用如何导致如自旋液体与自旋螺旋态等奇异基态？
• RQ3 自旋驱动的Jahn-Teller效应与轨道有序化在稳定自旋-轨道液体或轨道玻璃态中起多大作用？
• RQ4 在强磁场下，铬基尖晶石中自旋超流体与自旋超固相的本质及其实验证据是什么？
• RQ5 尖晶石中观测到的磁化平台与分数化激发能否由量子阻挫的统一理论框架解释？

主要发现

• 尖晶石中A位的金刚石晶格表现出键序阻挫，导致非传统基态（如螺旋自旋液体相），其阻挫强度取决于层间与层内交换相互作用的比值。
• B位的钙钛矿晶格支持高度简并的基态，具有残余零点熵与符合冰规则的短程自旋关联，如在Gd₂Ir₂O₇等化合物中所观测。
• 在MnSc₂S₄中，实验观测到一种Merons（半Skyrmion）自旋纹理，这是在尖晶石中罕见地观测到的拓扑自旋结构。
• 在多铁性尖晶石如ZnCr₂Se₄中，长程铁电序完全由自旋的矢量手性驱动，为立方系统中手性驱动铁电性的罕见实例。
• 在高磁场下，铬基尖晶石中提出了自旋超流体与自旋超固相，但其存在尚未得到实验验证，理论界仍存争议。
• 在特定尖晶石化合物中观测到分数化磁化平台与重费米子行为，表明强电子关联与类似Kondo屏蔽效应，尤其在稀土或锕系元素基体系中更为显著。