非 Kramers 稀土氧化物中的量子顺磁性：单斜 $\rm Pr_2Ti_2O_7$

Huiyuan Man; Alireza Ghasemi; Moein Adnani; Maxime A. Siegler; Elaf A. Anber; Yufan Li; Chia-Ling Chien; Mitra L. Taheri; Ching-Wu Chu; Collin L. Broholm; Seyed M. Koohpayeh

doi:10.1103/PhysRevMaterials.7.063401

非 Kramers 稀土氧化物中的量子顺磁性：单斜 $\rm Pr_2Ti_2O_7$

材料科学 2023-06-21 v2

作者: Huiyuan Man , Alireza Ghasemi , Moein Adnani , Maxime A. Siegler , Elaf A. Anber , Yufan Li , Chia-Ling Chien , Mitra L. Taheri , Ching-Wu Chu , Collin L. Broholm , Seyed M. Koohpayeh

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摘要

对于在 $r_A/r_B>1.78$ 时取代支持自旋冰的烧绿石结构的 $\rm A_2B_2O_7$ 单斜层状钙钛矿，人们目前对其磁性的了解甚少。我们表明，具有通过边共享超交换相互作用耦合的三维非 Kramers Pr $^{3+}$ 离子网络的高质量单斜 Pr $_2$ Ti $_2$ O $_7$ 单晶，形成了单重态基态量子顺磁体，该体系在至少低至 1.8 K 的温度下不发生任何磁相变。利用 X 射线衍射、透射电子显微镜和磁化测量研究了层状钙钛矿 Pr $_2$ Ti $_2$ O $_7$ 的化学相稳定性、结构和磁性。标称组成为 Pr $_2$ Ti $_{2+x}$ O $_7$ （ $-0.16 \leq x \leq 0.16$ ）的多晶样品的合成表明，偏离 Pr $_2$ Ti $_2$ O $_7$ 化学计量比会导致相关结构的次生相，包括钙钛矿相 Pr $_{2/3}$ TiO $_3$ 以及正交相 Pr $_4$ Ti $_9$ O $_{24}$ 和 Pr $_2$ TiO $_5$ 。在 Pr $_2$ Ti $_2$ O $_7$ 主相中未观察到位点无序（填充与反填充）或空位缺陷的迹象。报道了采用助熔剂浮区法（TSFZ）生长高结构质量化学计量单晶 Pr $_2$ Ti $_2$ O $_7$ 的工艺。单晶 Pr $_2$ Ti $_2$ O $_7$ 的热磁测量揭示了一个孤立的单重态基态，我们将其归因于低对称性晶体电场环境，该环境将四种不同配位 Pr $^{3+}$ 离子的 $2J+1=9$ 重简并自旋-轨道多重态分裂为 36 个孤立单重态，从而在低温下产生各向异性的与温度无关的范弗莱克磁化率。一个小的各向同性居里项与 0.96(2)\% 的非相互作用 Pr $^{4+}$ 杂质相关。

关键词

量子顺磁体非 Kramers 稀土氧化物单斜 Pr2Ti2O7 单重态基态范弗莱克磁化率助熔剂浮区法

引用

@article{arxiv.2211.06758,
  title  = {Quantum paramagnetism in a non-Kramers rare-earth oxide: Monoclinic $\rm Pr_2Ti_2O_7$},
  author = {Huiyuan Man and Alireza Ghasemi and Moein Adnani and Maxime A. Siegler and Elaf A. Anber and Yufan Li and Chia-Ling Chien and Mitra L. Taheri and Ching-Wu Chu and Collin L. Broholm and Seyed M. Koohpayeh},
  journal= {arXiv preprint arXiv:2211.06758},
  year   = {2023}
}

备注

18 pages, 7 figures, 6 tables

非 Kramers 稀土氧化物中的量子顺磁性：单斜 $\rm Pr_2Ti_2O_7$

摘要

关键词

引用

备注

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