稀释 Yb:YAlO$_3$ 中磁性二聚体的实验观测

我们通过比热、磁化与高分辨率非弹性中子散射（INS）测量，对 Yb$_{0.04}$Y$_{0.96}$AlO$_3$（一种 Yb 掺杂的钇铝钙钛矿（YAP）YAlO$_3$）中的 Yb 磁性二聚体进行了全面的实验研究。在我们的样品中，Yb 离子在晶格上随机分布，约 $7$\% 的 Yb 离子由于沿 $c$ 轴的最近邻反铁磁耦合而形成量子二聚体。在零场下，二聚体形成表现为 INS 谱中 $\Delta \approx 0.2$~meV 处的非弹性峰以及比热中的类肖特基反常。INS 峰的结构因子沿 $L$ 方向呈现余弦调制，与 $c$ 轴最近邻二聚体内耦合相符。对比热的低温部分仔细拟合表明激发态为简并三重态，这表明尽管晶体对称性低且磁偶极贡献各向异性，有效的 Yb-Yb 交换相互作用各向异性却小得惊人，这与先前关于 Yb 母体化合物 YbAlO$_3$ [arXiv:1904.11513, arXiv:1902.04112] 的报道一致，且与 Yb$_2$Pt$_2$Pb [arXiv:1606.01309, arXiv:1907.01067] 相反。所得结果被 Yb 二聚体的解析计算精确重现。