自旋-1/2 磁体 CdCu2(BO3)2 中的修饰 Shastry-Sutherland 晶格

我们报道了自旋-1/2 Heisenberg 系统 CdCu2(BO3)2 的微观磁模型，该系统是少数表现出 1/2 磁化平台的量子磁体之一。近期对该化合物的中子衍射实验 [M. Hase et al., Phys. Rev. B 80, 104405 (2009)] 证实了长程磁有序，这与先前提出的孤立二聚体和自旋链的唯象磁模型不一致。基于广泛的密度泛函理论能带结构计算、精确对角化、量子 Monte Carlo 模拟、三阶微扰理论以及高场磁化测量，我们发现 CdCu2(BO3)2 的磁性质可以由一个受挫的准二维磁模型来解释，该模型具有四个不等价的交换耦合：结构 Cu2O6 二聚体内的主导反铁磁耦合 $J_d$、形成磁四聚体的两个二聚体间耦合 $J_{t1}$ 和 $J_{t2}$，以及四聚体之间的铁磁耦合 $J_{it}$。基于与实验数据的比较，我们评估了主导耦合的比例为 $J_d : J_{t1} : J_{t2} : J_{it} = 1 : 0.20 : 0.45 : -0.30$，其中 $J_d$ 约为 178 K。$J_{t1}$ 和 $J_{t2}$ 的不等价性极大地解除了受挫并触发了长程反铁磁有序。所提出的模型正确地解释了在基态磁构型中局域在结构上不等价 Cu 原子上的不同磁矩。我们广泛分析了该模型的磁性质，包括对磁有序基态及其在磁场中演化的详细描述，特别强调了 1/2 磁化平台。我们的结果确立了与 SrCu2(BO3)2 的 Shastry-Sutherland 模型的显著类比，并将密切相关的 CdCu2(BO3)2 表征为自旋-1/2 修饰各向异性 Shastry-Sutherland 晶格的材料实现。