[论文解读] Revealing a Triangular Lattice Ising Antiferromagnet in a Single-Crystal CeCd$_3$As$_3$

Y. Q. Liu, S. J. Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2016

Theoretical and Computational Physics被引用 8

一句话总结

本研究首次在单晶CeCd3As3中实现了二维三角晶格伊辛反铁磁体，其中Ce3+离子形成完美的三角晶格并具有强自旋-轨道耦合。该体系表现出高度各向异性的反铁磁耦合，证实了主导的伊辛型相互作用与几何阻挫，且在0.6 K以下仍保持磁无序，表明存在强烈的量子涨落并可能实现非平凡的量子物相。

ABSTRACT

We report the single-crystal growth and the fundamental magnetic and thermodynamic properties of a rare-earth triangular lattice antiferromagnet CeCd$_3$As$_3$. In this rare-earth antiferromagnet, the Ce local moments form a perfect triangular lattice. Due to the spin-orbital-entangled nature of the Ce local moments, the compound exhibits extremely anisotropic antiferromagnetic couplings along the c direction and in the ab plane respectively. We show that CeCd$_3$As$_3$ represents a {\it rare} experimental realization of an antiferromagnetic Ising model on a two dimensional triangular lattice and thus provides a prototype example for geometrical frustration. We further discuss the quantum effect of the perturbative interactions on the top of the predominant Ising interaction.

研究动机与目标

• 研究CeCd3As3的磁性和热力学性质，该材料为具有Ce3+离子形成二维晶格的稀土三角晶格反铁磁体。
• 确定在强自旋-轨道耦合与晶体场效应下，CeCd3As3是否实现三角晶格上的反铁磁伊辛模型。
• 探讨在高度各向异性交换相互作用体系中几何阻挫与量子涨落的作用。
• 确立CeCd3As3作为研究具有各向异性自旋相互作用的阻挫晶格中量子磁性的原型体系。

提出的方法

• 采用碘作为运输剂，通过气相输运法生长CeCd3As3单晶。
• 通过测量磁化率、比热和磁化强度，探测磁有序与阻挫行为。
• 利用X射线衍射与晶体场分裂计算分析晶体结构与电子态。
• 通过自旋-轨道耦合与晶体场分裂，识别出有效自旋-1/2克朗默双态基态。
• 比较c轴与ab面方向交换耦合各向异性的差异，以确认伊辛型行为。
• 将该体系理论建模为三角晶格上的横向场量子伊辛模型，以预测量子相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 CeCd3As3是否具有以主导伊辛型交换相互作用为特征的二维三角晶格伊辛反铁磁体？
• RQ2 CeCd3As3中反铁磁耦合各向异性的来源与大小是什么？
• RQ3 尽管存在显著的反铁磁相互作用，为何磁序在至少0.6 K以下仍被抑制？
• RQ4 量子涨落与微扰自旋-xy项如何影响该阻挫伊辛体系的基态？
• RQ5 在c轴方向磁场下，CeCd3As3是否能表现出如横向场伊辛模型所预测的1/3磁化平台？

主要发现

• CeCd3As3结晶于P63/mmc空间群，Ce3+离子形成完美的二维三角晶格，间距约10.7 Å，为研究几何阻挫提供了理想平台。
• Ce3+的4f1电子组态导致自旋-轨道耦合的J=5/2态，经晶体场分裂形成三个克朗默双态，其中基态双态表现为有效S=1/2自旋矩。
• 磁性测量显示在0.6 K以下未观测到长程磁序，表明存在强烈的量子涨落与高度阻挫的基态。
• 沿c轴的反铁磁耦合（Jzz）显著大于面内耦合（J±），证实了主导的伊辛型各向异性。
• 该体系被确认为二维三角晶格上反铁磁伊辛模型的罕见实验实现，具有实现量子有序由无序与c轴磁场下1/3磁化平台的潜力。
• 该化合物为研究具有强自旋-轨道耦合的阻挫晶格中的量子磁性提供了新平台，与YbMgGaO4中的无能隙U(1)量子自旋液体形成鲜明对比。