Emerging magnetism and anomalous Hall effect in iridate-manganite heterostructures
John Nichols, Xiang Gao, Shinbuhm Lee, Tricia L. Meyer, John W. Freeland, Valeria Lauter, Di Yi, Jian Liu, Daniel Haskel, Jonathan R. Petrie, Er-Jia Guo, Andrea… 展开作者
John Nichols, Xiang Gao, Shinbuhm Lee, Tricia L. Meyer, John W. Freeland, Valeria Lauter, Di Yi, Jian Liu, Daniel Haskel, Jonathan R. Petrie, Er-Jia Guo, Andreas Herklotz, Dongkyu Lee, Thomas Z. Ward, Gyula Eres, Michael R. Fitzsimmons, Ho Nyung Lee
Strong Coulomb repulsion and spin-orbit coupling are known to give rise to exotic physical phenomena in transition metal oxides. Initial attempts to investigate systems where both of these fundamental interactions are comparably strong, such as 3d and 5d complex oxide superlattices, have revealed properties that only slightly differ from the bulk ones of the constituent materials. Here, we observe that the interfacial coupling between the 3d antiferromagnetic insulator SrMnO3 and the 5d paramagnetic metal SrIrO3 is enormously strong, yielding an anomalous Hall response as the result of charge transfer driven interfacial ferromagnetism. These findings show that low dimensional spin-orbit entangled 3d-5d interfaces provide an avenue to uncover technologically relevant physical phenomena unattainable in bulk materials.
Magnetism in artificial Ruddlesden-Popper iridates leveraged by structural distortions
我们报道了由单层和双层SrIrO $_3$与SrTiO $_3$间隔组成的超晶格中磁相互作用的调谐。磁散射显示占主导地位的$c$轴反铁磁取向的磁矩的双层证明这些系统作为可行的人工类似物的散装Ruddlesden-Popper系列铱酸盐。在两种超晶格中均观察到磁振子能隙，双层中的能隙大小减小到其体结构类似物Sr $_3$ Ir $_2$ O $_7$的近一半。我们将此分配给修改的各向异性交换驱动的弯曲的$c$轴Ir-O-Ir键和随后的局部环境的变化，通过X射线衍射检测和使用自旋波理论建模。这些发现解释了即使是由虹膜状结构中的异质结构驱动的细微结构调制，也是如何通过自旋轨道耦合来驱动磁相互作用的巨大变化的。
Effect of carrier concentration on magnetism and magnetic order in the pyrochlore iridates
我们目前的电阻率，磁化强度和零场μ子自旋弛豫（$μ$ SR）数据的烧绿石铱酸盐材料Nd $_{2-x}$钙$_{x}$ Ir $_{2}$ O $_{7}$（$x = 0, 0.06$，和$0.10$）和Sm $_2$ Ir $_2$ O $_7$。而Nd $_{2}$ Ir $_{2}$ O $_{7}$（Nd 227）是弱导电的，Sm $_{2}$ Ir $_{2}$ O $_{7}$（Sm 227）在低温下具有缓慢发散的电阻率。Nd 227和Sm 227分别在$T_{M} = 105 K$和$137 K$处表现出磁异常。然而，零场$μ$ SR测量表明，在更低的温度下（$T_{LRO} \sim 8 K$为Nd 227，$70 K$为Sm 227），Ir $^{4+}$亚晶格的长程磁序集;这两种材料都显示出严重阻尼的μ子进动，特征频率接近9 MHz。在Nd 227中的$T_{M}$处的磁异常不受在导电Nd $_{2-x}$ Ca $_{x}$ Ir $_{2}$ O $_{7}$样品中通过Ca取代引入空穴载流子的显著影响，但是μ子旋进对于两者都被完全抑制。
Evolution of structure, magnetism and electronic transport in doped pyrochlore iridate Y$_2$Ir$_{2-x}$Ru$_{x}$O$_7$
在铱氧化物中，自旋轨道耦合（SOC）和电子关联（$U$）之间的相互作用被认为是许多奇异现象的原因。我们研究了烧绿石铱酸盐Y $_2$ Ir $_{2-x}$ Ru $_{x}$ O $_7$的结构、磁性和电子性质的演变，其中Ru的取代旨在调节这种相互作用。Ru替代不引入任何结构相变，然而，我们确实观察到晶格参数随掺杂水平$x$的演变。X射线光电子能谱（XPS）研究表明，Ru取代了Ru $^{4+}$的电荷状态，取代了Ir的$^{4+}$。磁化强度数据揭示了磁性不可逆性的发生和磁矩的减少与Ru的逐步取代。这些材料显示出非平衡的低温磁状态所揭示的磁弛豫数据。有趣的是，我们发现磁弛豫速率随着Ru的取代而增加。电阻率在整个温度范围内均表现出绝缘特性，但随着Ru的替代，电阻率降低。所有材料的电子传导性质都遵循幂律行为。
Magnetism in quasi-two-dimensional tri-layer La$_{2.1}$Sr$_{1.9}$Mn$_3$O$_{10}$ manganite
Ruddlesden-Popper（RP）系列三层结构的La $_{3-3x}$ Sr $_{1+3x}$ Mn $_{3}$ O $_{10}$锰氧化物是自然排列的层状结构，沿c轴方向交替堆叠m-MnO $_2$（m = 3）面和岩盐型块层（La，Sr）$_2$ O $_2$。RP系列锰氧化物的维数取决于钙钛矿层的数量，并显着影响系统的磁性和输运性质。三层结构的La $_{2.1}$ Sr $_{1.9}$ Mn $_{3}$ O $_{10}$表现出二级磁相变。研究了Ruddlesden-Popper系列锰氧化物的三层结构La $_{2.1}$ Sr $_{1.9}$ Mn $_{3}$ O $_{10}$在相变温度T $_C$附近的相变临界行为，以了解其低维磁性.我们确定了三层结构La $_{2.1}$ Sr $_{1.9}$ Mn $_{3}$ O $_{10}$的临界指数，它们属于短程二维Ising普适类.用重整化群方法解释了三层结构La $_{2.1}$ Sr $_{1.9}$ Mn $_{3}$ O $_{10}$锰氧化物的低维磁性。结果表明，$_{2.1}$ MnPDMATHABMO OPDMATHABMP的层状结构导致了三种不同类型的相互作用：面内（$ J_{ab} $）、三层内（$ J_{c} $）和三层间（$ J' $），其中$ J_{ab} $ $ J_{c…
Nonmagnetic substitution in pyrochlore iridate Y$_2$(Ir$_{1-x}$Ti$_{x}$)$_2$O$_7$: Structure, magnetism and electronic properties
自旋-轨道耦合和电子相关效应的调谐被认为是许多有趣的现象。我们研究了掺杂Y-$_2$的结构、磁性和电子性质的温度演化（Ir $_{1-x}$ Ti $_{x}$）$_2$ O $_7$（$x$ = 0.0，0.02，0.05，0.10和0.15），其中钛的取代$^{4+}$ Ir $^{4+}$（5 $d^5$）的（3 $d^0$）相当于磁网络的稀释和以相反的方式调节这些参数。该系统保持其原有的结构对称性，但局部结构参数显示出与Ti含量的演变。而磁性转变温度没有很大的影响，磁矩和磁阻挫随着Ti掺杂降低。磁弛豫测量表明，母体化合物Y $_2$ Ir $_2$ O $_7$及其钛掺杂类似物均处于非平衡磁状态，磁弛豫速率随钛的增加而增加。温度依赖的拉曼测量表明结构对称性没有变化，然而，在整个磁转变温度的异常观察到A $_{1g}$拉曼模式。依赖于温度的X射线衍射数据也支持拉曼光谱数据，然而，观察到晶格参数随温度的演变。Y $_2$（Ir $_{1-x}$ Ti $_{x}$）$_2$ O $_7$系列的电阻率数据在整个温度范围内表现出绝缘行为，然而，电阻率随着Ti掺杂而降低。电荷传导的性质被发现在整个系列遵循幂律行为，但该模型的有效性随温度而变化。在低温下观察到了负的磁电阻效应，并用弱局域机制解释了这一现象。与其他Ir基氧化物类似，在本系统中已经观察到从负到正MR的交叉。
Evolution of structure and magnetism across the metal-insulator transition in the pyrochlore iridate $($Nd$_{1-x}$Ca$_x)_2$Ir$_2$O$_7$
我们报告的演化的热金属绝缘体转变的多晶样品的Nd $_2$ Ir $_2$ O $_7$空穴掺杂后，通过取代Nd $^{3+}$的Ca $^{2+}$。Ca取代介导的填充控制莫特样过渡，最小的可分辨的结构变化，而不改变网站的对称性。局部结构证实，Ca取代不会导致局部化学相分离，吸收光谱确定，Ir阳离子保持自旋轨道纠缠的电子配置。的金属-绝缘体的转变与反铁磁有序的Ir亚晶格上的所有测量的样品相一致，都降低了起始温度与Ca含量。弱低温上升的磁化率和电阻率的样品与高钙含量表明，钕亚晶格反铁磁性继续耦合到金属制度的载体。
Spin correlated electronic state on the surface of a spin-orbit Mott system (Layered Iridates)
二维电子系统的新相是由新的表面或界面修饰的电子结构引起的，在材料科学中引起了极大的兴趣。我们利用光电子能谱表明，近表面的电子结构的体绝缘铱酸盐Sr $_3$ Ir $_2$ O $_7$位于附近的金属-莫特绝缘体过渡表现出弱的金属性表示有限的电子光谱重量在费米能级。表面电子表现出独特的自旋结构，由自旋轨道，库仑相互作用和表面量子磁性的相互作用，不同于拓扑绝缘体状态。我们的研究结果表明，一个新的准二维相互作用电子表面基态的实验实现，打开了大门，奇异的量子纠缠和输运现象的铱基氧化物器件。
Spin dynamics in the pyrochlore iridate, Er2Ir2O7, investigated by muSR spectroscopy
建立对稀土烧绿石铱酸盐A2 Ir 2 O 7的复杂磁性的全面理解是凝聚态物理中的一个持续的问题。两个相互渗透和相互作用的挫折磁性烧绿石亚晶格的可能性，与强自旋轨道耦合的5d Ir 4+离子，本身的潜在的电子和磁状态的广泛阵列。在本文中，我们提出了纵向场和零场μ SR测量Er 2 Ir 2 O 7。Er_2Ir_2O_7的μ SR响应主要由Er ~（3+）（J = 15/2）矩的强涨落场控制，在T = 15 K时出现拟合弛豫率λ_2的峰值。muSR光谱显示只是微弱的签名的Ir过渡，很容易被抑制在施加的纵向场，然而，完全去耦的μ子从本地磁场没有实现，即使在施加的领域高达3千克。
人们提出了自旋轨道莫特绝缘体的概念来解释各种铱酸盐的磁绝缘行为。这种情况依赖于自旋-轨道耦合的强度与电子相关性相当，并且这种情况是否适用于所有的虹彩星并不是先验的。特别是，与Sr 2 IrO 4相比，Sr 3 Ir 2 O 7表现出小的电荷间隙和磁矩，质疑这种假设的有效性。为了了解磁性Sr 3 Ir 2 O 7的微观机制，我们构建了一个紧束缚模型，考虑到完整的t2 g-轨道，交错旋转的本地八面体，和双层结构。费米能级附近的能带主要以总角动量Jeff = 1/2为特征，除了在Γ点以下，支持相当强的自旋-轨道耦合图像。在平均场近似下，通过多轨道Hubbard相互作用，发现了一个一阶跃迁到共线反铁磁体。在过渡的磁矩跳变始终小于Sr 2 IrO 4，起源于底层的能带结构的勉强带绝缘体。由于在Sr 3 Ir 2 O 7中观察到的小的电荷间隙和磁矩，该系统接近于磁转变。一个自旋模型的比较和连接的莫特绝缘体进行了讨论。
Evidences for the random singlet phase in a new honeycomb iridate SrIr$_2$O$_{6-δ}$
具有蜂窝结构的强自旋轨道耦合磁性系统可以提供键方向相互作用，这可能导致Kitaev量子自旋液体和奇异的任意子激发。然而，在Kitaev系统中，对真实材料中的关键成分之一$-$紊乱$-$的研究要少得多。在这里，我们合成了一个三方$_2$ O $_{6-δ}$与$δ\approx 0.25$，它由二维蜂窝状Ir平面与边缘共享IrO $_6$八面体。第一性原理计算和实验测量表明，电子系统是带隙的，并且应该没有磁矩，因为Ir $^{5+}$离子没有未成对电子。然而，在材料中观察到了显著的磁性，并且它可以归因于最有可能来自氧空位的紊乱。在0.05 K以下没有发现磁有序，磁化率和零场比热均呈幂律变化，比热在磁场下呈单参数标度变化。这些结果为$_2$ O $_{6-δ}$中存在无规单重态相提供了有力的证据，它为自旋轨道纠缠的铱酸盐和Kitaev材料家族提供了不同的成员。
Failure to achieve the $J_{eff}$~=~0 state even in nearly isolated Ir$^{5+}$ in Sr$_3$NaIrO$_6$: are iridates enough for realizing true $j$-$j$ coupling?
