[论文解读] Optical, dielectric, and magnetoelectric properties of ferroelectric and antiferroelectric lacunar spinels

K. Geirhos, S. Reschke+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2021

Multiferroics and related materials参考文献 90被引用 12

一句话总结

本综述研究了空位尖晶石（AM₄X₈）的光学、介电及磁电性质，揭示了M₄X₄分子团簇中的简并轨道劈裂如何驱动铁电性和多铁性。研究展示了强自旋-晶格-轨道耦合导致的拓扑态（如自旋旋翼态）和反铁电性，关键发现来自光学光谱、介电测量和结构分析。

ABSTRACT

Lacunar spinels with a chemical formula of $AM_4X_8$ form a populous family of narrow-gap semiconductors, which offer a fertile ground to explore correlation and quantum phenomena, including transition between Mott and spin-orbit insulator states, ferro/antiferroelectricity driven by cluster Jahn-Teller effect, and magnetoelectric response of magnetic skyrmions with polar dressing. The electronic and magnetic properties of lacunar spinels are determined to a large extent by their molecular-crystal-like structure. The interplay of electronic correlations with spin-orbit and vibronic couplings leads to a complex electronic structure already on the single-cluster level, which -- together with weaker inter-cluster interactions -- gives rise to a plethora of unconventional correlated states. This review primarily focuses on recent progresses in the field of optical, dielectric, and magnetoelectric properties on lacunar spinels. After introducing the main structural aspects, lattice dynamics and electronic structure of these compounds are discussed on the basis of optical spectroscopy measurements. Dielectric and polarization studies reveal the main characteristics of their low-temperature ferro- or antiferroelectric phases as well as orbital fluctuations in their high-temperature cubic state. Strong couplings between spin, lattice, and orbital degrees of freedom are manifested in singlet formation upon magnetostructural transitions, the emergence of various multiferroic phases, and exotic domain-wall functionalities.

研究动机与目标

• 理解电子关联、自旋-轨道耦合与晶格畸变在空位尖晶石中的相互作用。
• 阐明M₄X₄四面体中团簇Jahn-Teller效应驱动的铁电性和反铁电性的起源。
• 表征磁电耦合及如极化修饰的自旋旋翼态等奇异磁态。
• 绘制这些材料中顺电、铁电、反铁电及磁性相之间的相变路径。
• 确立分子晶体结构在实现非传统量子现象中的作用。

提出的方法

• 利用光学光谱探测M₄X₄团簇中的电子结构及分子轨道劈裂。
• 通过介电及极化测量识别铁电性和反铁电性转变及其温度依赖性。
• 利用X射线和中子衍射进行结构分析，确定对称性从F¯43m降低至R3m或P2₁2₁2₁。
• 通过磁化率和比热测量表征磁有序及相变行为。
• 利用温度依赖的X射线衍射和拉曼光谱分析磁致结构转变。
• 在低对称性相中对轨道简并劈裂及Dzyaloshinskii-Moriya相互作用进行理论建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 M₄X₄团簇中的Jahn-Teller畸变如何在空位尖晶石（如GaV₄S₈和GaMo₄S₈）中诱导铁电性？
• RQ2 GaNb₄Se₈和GaTa₄Se₈中的磁致结构转变本质为何？其如何导致反铁电性？
• RQ3 这些材料中磁电耦合如何实现，特别是在自旋旋翼态形成背景下的机制？
• RQ4 轨道涨落如何在高温立方相中发挥作用，其对介电响应有何影响？
• RQ5 自旋、晶格与轨道自由度如何耦合以稳定如Néel型自旋旋翼态等奇异态？

主要发现

• GaV₄S₈和GaMo₄S₈中的铁电性源于Jahn-Teller畸变，使对称性从F¯43m降低至R3m，形成具有四个不同极化方向的极性菱面体相。
• 介电研究证实GaV₄S₈中存在一种有序-无序铁电转变，其在TJT ≈ 44 K以上存在动态Jahn-Teller涨落。
• 在GaNb₄Se₈和GaTa₄Se₈中，单一磁致结构转变发生在TMS ≈ 33 K（GaNb₄Se₈），对称性降低至P2₁2₁2₁，形成具有交替偶极子的反铁电序。
• GaV₄Se₈中在TC ≈ 18 K以下的磁性转变导致螺旋自旋有序，该有序态可在有限磁场下转变为Néel型自旋旋翼子晶格。
• 强自旋-晶格-轨道耦合在磁致结构转变后导致单重态形成，该现象在介电和比热测量中已被观测到。
• 光学光谱揭示M₄X₄单元中存在三重简并的t₂分子轨道，该轨道在Jahn-Teller畸变下发生劈裂，从而驱动极性序的形成。