GeCo2O4 的晶格动力学与磁交换相互作用：一种具有 S = 1/2 烧绿石晶格的自旋el

GeCo$_2$O$_4$ 是钴尖晶石 ACo$_2$O$_4$（A = Sn、Ti、Ru、Mn、Al、Zn、Fe 等）家族中独特的体系，其中磁性 Co 离子稳定在烧绿石晶格上，表现出很大程度的轨道阻挫。由于低温反铁磁（AFM）序与长程磁交换相互作用的复杂性，GeCo$_2$O$_4$ 尖晶石的晶格动力学与磁结构一直令人困惑。为解决此问题，我们在此展示对高度阻挫磁结构以及尖晶石 GeCo$_2$O$_4$ 中红外（IR）与拉曼活性声子模的理论与实验研究，该体系在 N\'eel 温度 $T_N$ ~21 K 以下呈现 AFM 序，随后在 $T_S$ ~16 K 发生立方（$Fd{\bar 3}m$）到四方（$I4_{1}/amd$）的结构相变。我们的密度泛函理论（DFT+U）计算揭示，需考虑直至第三近邻的磁交换相互作用才能准确描述 GeCo$_2$O$_4$ 中的低温 AFM 序。室温下观察到三个不同的 IR 活性模（$T_{1u}$），频率分别为 680、413 和 325 cm$^{-1}$，以及四个拉曼活性模 $A_{1g}$、$T_{2g}(1)$、$T_{2g}(2)$ 和 $E_{g}$，频率分别为 760、647、550 和 308 cm$^{-1}$，与我们的 DFT+U 计算值相当吻合。所有 IR 活性与拉曼活性声子模均表现出中等自旋-声子耦合的特征。还讨论了拉曼活性模的位移、线宽和强度等参数的温度依赖性。在 $E_{g}$ 与 $T_{2g}$ 模的拉曼线参数中观察到围绕 $T_N$ 和 $T_S$ 的显著变化，这与这些模激发过程中 CoO$_6$ 八面体内 Co-O 键的调制有关。