呼吸焦绿石磁体 CuGaCr$_{4}$S$_{8}$：磁学、热力学与介电性质

我们研究了基于铬的硫尖晶石 CuGaCr$_{4}$S$_{8}$ 的晶体学和磁学性质。通过同步辐射 X 射线衍射实验和结构精修，发现 Cu 和 Ga 原子以交替方式占据四面体 $A$ 位，产生呼吸焦绿石 Cr 网络。CuGaCr$_{4}$S$_{8}$ 在零磁场下于 31 K 发生与结构畸变相关的磁相变，表明自旋-晶格耦合是缓解几何阻挫的原因。当施加脉冲高磁场时，在 40 T 处发生急剧的变磁相变，随后直至 103 T 出现 1/2 磁化平台。这些相变伴随介电异常，表明低场相中存在螺旋自旋关联。密度泛函理论计算表明，与 CuInCr$_{4}$S$_{8}$ 类似，CuGaCr$_{4}$S$_{8}$ 分别由小四面体和大四面体内的反铁磁和铁磁交换耦合主导。我们认为 $A$ 位有序的 Cr 硫尖晶石可作为探索多种磁相以及显著磁弹和磁介电响应的极佳平台。