Towards understanding the magnetic properties of the breathing pyrochlore compound Ba3Yb2Zn5O11: A single crystal study
Sachith Dissanayake, Zhenzhong Shi, Jeffrey G. Rau, Rabindranath Bag, William Steinhardt, Nicholas P. Butch, Matthias Frontzek, Andrey Podlesnyak, David Graf, C… 展开作者
Sachith Dissanayake, Zhenzhong Shi, Jeffrey G. Rau, Rabindranath Bag, William Steinhardt, Nicholas P. Butch, Matthias Frontzek, Andrey Podlesnyak, David Graf, Casey Marjerrison, Jue Liu, Michel J. P. Gingras, Sara Haravifard
Ba3Yb2Zn5O11 is unique among breathing pyrochlore compounds for being in the nearly decoupled limit where inter-tetrahedron interactions are weak, hosting isolated clusters or "molecular magnet" like tetrahedra of magnetic ytterbium (Yb3+) ions. In this work, we present the first study carried out on single-crystal samples of the breathing pyrochlore Ba3Yb2Zn5O11, using a variety of magnetometry and neutron scattering techniques along with theoretical modeling. We employ inelastic neutron scattering to investigate the magnetic dynamics as a function of applied field (with respect to both magnitude and direction) down to a temperature of 70 mK, where inelastic scattering reveals dispersionless bands of excitations as found in earlier powder sample studies, in good agreement with a single-tetrahedron model. However, diffuse neutron scattering at zero field and dc-susceptibility at finite field exhibit features suggesting the presence of excitations at low-energy that are not captured by the single tetrahedron model. Analysis of the local structure down to 2 K via pair distribution function analysis finds no evidence of structural disorder. We conclude that effects beyond the single tetrahedron model are important in describing the low-energy, low temperature physics of Ba3Yb2Zn5O11, but their nature remains undetermined.
Breathing Pyrochlore Lattice Realized in A-Site Ordered Spinel Oxides LiGaCr4O8 and LiInCr4O8
在两种A位有序尖晶石氧化物LiGaCr 4 O 8和LiInCr 4 O 8中发现了一种独特的阻挫晶格。由于Li+和Ga 3 +/In 3+离子在A位处的大尺寸失配，由携带自旋3/2的Cr 3+离子组成的烧绿石晶格变成小四面体和大四面体的交替阵列，即，“呼吸”烧绿石晶格。我们引入了一个参数，呼吸因子Bf，它量化了烧绿石晶格中的挫折程度：Bf被定义为J '/J，其中J'和J是最近邻的磁相互作用在大，小四面体，分别。具有Bf ~ 0.6的LiGaCr 4 O 8显示出与常规Cr尖晶石氧化物如ZnCr 2 O 4类似的磁化率。与此相反，LiInCr 4 O 8与一个小的Bf ~ 0.1的磁化率表现出自旋带隙的行为，表明接近一个奇特的单重基态。磁长程序发生在13.8和15.9 K的LiGaCr 4 O 8和LiInCr 4 O 8，分别，在这两种情况下可能是由于耦合到结构扭曲。
Magnetic and Structural Properties of A-Site Ordered Chromium Spinel Sulfides: Alternating Antiferromagnetic and Ferromagnetic Interactions in the Breathing Pyrochlore Lattice
Neutron Scattering Studies of the Breathing Pyrochlore Antiferromagnet LiGaCr$_{4}$O$_{8}$
我们报告的尖晶石氧化物LiGaCr $_{4}$ O $_{8}$，其中磁性离子Cr $^{3+}$形成呼吸烧绿石晶格的中子散射测量。我们的实验揭示了在磁有序态中几乎无色散的共振模式和色散的自旋波激发的共存，这可以分别用具有相同交换参数的六角环的量子自旋模型和线性自旋波理论定量描述。与其他铬尖晶石氧化物的比较揭示了所有这些材料的共振能和晶格常数之间的线性关系，这与我们的六方环计算一致。我们的研究结果表明，在铬尖晶石氧化物的自旋共振的统一图片。
研究了均匀电场对呼吸烧绿石晶格三维U（1）自旋液相基态和激发态的影响，这些基态和激发态是由于常规（Maxwell）电场与量子自旋冰材料的涌现电动力学之间的耦合而产生的.这是对Phys. Rev. B 96，125145（2017）中各向同性火辉石研究的扩展，因为晶格反转对称性在呼吸火辉石中被破坏。出射光子表现出双折射，类似于各向同性的情况。然而，该系统具有非零极化，即使在没有外部电场，不同于各向同性烧绿石。我们还发现，一个足够强的电场触发量子相变到新的U（1）量子自旋液体捕获$π$ -通量的出射电场。即使当施加的电场沿着在各向同性极限中不显示出相变的方向时，也可以看到这样的转变发生。
Hierarchical excitations from correlated spin tetrahedra on the breathing pyrochlore lattice
物理系统中的耦合强度的层次结构通常在低能量下产生有效的模型，其中解耦的高能量模式被集成出来。在这里，使用中子散射，我们表明，在呼吸烧绿石晶格化合物CuInCr $_4$ S $_8$的自旋激发是分层的，可以近似的相关四面体在低能量的有效模型。在较高的能量，四面体内的激发与强磁振子-声子耦合一起观察，这表明晶格自由度在稳定自旋四面体的可能作用。我们的工作说明了自旋动力学在CuInCr $_4$ S $_8$，并演示了一个通用的有效集群的方法来理解呼吸型晶格上的动力学。
Magnetic Transitions under Ultrahigh Magnetic Fields of up to 130 T in the Breathing Pyrochlore Antiferromagnet LiInCr4O8
利用脉冲磁场研究了自旋为3/2的反铁磁体LiInCr 4 O 8在高达130 T的交变磁场下的磁化过程.在90 T ~ 130 T范围内，LiInCr_4 O_8具有较强的自旋-晶格耦合，与传统的铬尖晶石氧化物相似. LiGa 0.125 In 0.875 Cr 4 O 8的磁化强度在低温下的结构和磁转变被完全抑制，在13 T以上突然增加，表明在四聚体单重基态和总自旋为1的激发态之间存在2.2 meV的自旋间隙，后者通过施加磁场而稳定。呼吸烧绿石反铁磁体是一个独特的阻挫系统，具有很强的自旋-晶格耦合和键的交替。
Breathing chromium spinels: a showcase for a variety of pyrochlore Heisenberg Hamiltonians
我们解决了长期存在的问题，丰富多样的现象，在铬呼吸烧绿石材料家族的微观起源。结合电子结构和重整化群技术，我们解决了磁相互作用和分析其倒易空间磁化率。我们表明，这些材料的物理主要是由长程海森堡哈密顿相互作用，迄今未得到赞赏的事实。我们的计算揭示，在这些同构化合物中，硫族元素的选择触发了材料与经典自旋液体的接近，其特征在于不同维度的波矢量的简并流形：LiInCr 4 O 8和LiGaCr 4 O 8的三维简并库仑相，螺旋自旋液体与二维简并为CuInCr4Se 8和一维线简并特征的面，LiInCr4S8、LiGaCr4S8和CuInCr4S8的心立方反铁磁体。我们在铬尖晶石中发现的原型烧绿石行为的令人惊讶的复杂阵列可能会激发掺杂或压力下不同半经典自旋液体之间的过渡路径的研究。
Inelastic Neutron Scattering Study of the Spin Dynamics in the Breathing Pyrochlore System LiGa0.95In0.05Cr4O8
A-网站有序铬酸盐尖晶石LiGa 1-xInxCr 4 O 8主机的网络大小交替自旋3/2铬+四面体被称为“呼吸”烧绿石晶格。对于x=0.05的组合物，在母体x=0材料中观察到的复杂的磁结构有序被Tf=11 K处的单个跃迁所取代，这归因于强自旋-晶格耦合引起的共线π阶。我们在这里提出了一个非弹性中子散射研究的自旋动力学在这种组合物。高于Tf，动态散射函数S（Q，E）是ungapped和准弹性的，类似于未掺杂的LiGaCr 4 O 8。低于Tf，光谱权重之间的分裂广泛的非弹性功能在5.8毫电子伏和朝向弹性线。前一个特征可以归因于反铁磁环内的自旋进动，通过自旋哈密顿量中的有效双二次自旋晶格项提升到有限能量。
Tetrahedrally ferromagnetic correlations and a glassy-freezing anomaly in the breathing pyrochlore magnet $\mathrm{AgInCr_4S_8}$ with partial $A$-site disorder
Tokyo University of Agriculture and Technology（东京农工大学）；The Institute for Solid State Physics, The University of Tokyo（东京大学固体物理研究所）；Kyoto University（京都大学）
From dimensional reduction to tetramerization in mixed ferro-antiferro breathing pyrochlores
Indian Institute of Technology Madras（印度理工学院马德拉斯分校）；CNRS, University of Bordeaux（法国国家科学研究中心，波尔多大学）；Ludwig-Maximilians-Universität München（慕尼黑路德维希-马克西米利安大学）；HUN-REN Wigner Research Centre for Physics（匈牙利研究与教育网络温格物理研究中心）；Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie（柏林亥姆霍兹材料能源中心）；Freie Universität Berlin（柏林自由大学）；University of Windsor（温莎大学）；Institute for Solid State Physics and Optics（凝聚态物理与光学研究所）
Emergent Vortex Ordering in a Multiflavor Pyrochlore-Lattice Compound GeCo$_2$O$_4$
University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）；Comprehensive Research Organization for Science and Society (CROSS)（综合研究组织科学社会）；Rutherford Appleton Laboratory（鲁瑟福阿普顿实验室）；Peking University（北京大学）；China Institute of Atomic Energy（中国原子能科学研究院）
Enhanced weak ferromagnetism and conductivity in hole-doped pyrochlore iridate Y2Ir2O7
烧绿石铱酸盐在凝聚态物理中具有实现新拓扑态的潜力，近年来引起了人们越来越多的兴趣。为了获得这样的量子态，理解这些化合物的磁性是非常必要的，因为它们的电子结构与它们的磁性基态是强耦合的。在这项工作中，我们报告了一个系统的研究烧绿石Y2 Ir 2 O 7及其空穴掺杂化合物的磁性进行磁，电子自旋共振，电输运，和X射线光电子能谱学（XPS）测量。我们证明了在未掺杂的化合物中，在大的反铁磁背景之上存在弱铁磁性。空穴掺杂钙被发现，以提高铁磁性和导电性。XPS分析表明，在未掺杂的化合物中，Ir 4+和Ir 5+共存，并且随着Ca的掺杂，Ir 5+的含量增加，这说明了Ir 5+形成的弱铁磁性的可能来源.我们还观察到场冷后M-H曲线的垂直移动，这可能是由于铁磁相和反铁磁背景之间的强耦合.
Real-space investigation of short-range magnetic correlations in fluoride pyrochlores NaCaCo$_2$F$_7$ and NaSrCo$_2$F$_7$ with magnetic pair distribution function analysis
我们目前的飞行时间中子总散射和极化中子散射测量的磁阻挫化合物NaCaCo $_2$ F $_7$和NaSrCo $_2$ F $_7$，这属于一类最近发现的基于过渡金属和氟的烧绿石化合物。采用磁对分布函数（mPDF）技术对实际空间中的总散射数据进行分析和建模。我们发现，以前提出的模型的短程XY-类似的相关性与长度尺度为10-15纳米，结合最近邻共线反铁磁相关性，准确地描述了在低温下的mPDF数据，确认磁性基态在这些材料。极化中子散射数据进一步验证了该模型。从mPDF和极化中子散射数据的温度依赖性的分析，我们发现，短程相关性坚持在最近邻长度尺度高达200 K，大约两个数量级高于这些化合物的自旋冻结温度。这些结果突出了这些新的烧绿石化合物所提供的机会，研究在相对较高的温度下的几何挫折的影响，同时也推进了mPDF技术，并提供了一个新的机会，调查一个真正的短程有序磁基态直接在真实的空间。
