受阻无序量子磁体 Ba$_{3}$(Mn$_{1-x}$V$_{x}$)$_{2}$O$_{8}$ 中的自旋冻结

Ba$_3$Mn$_2$O$_8$ 是一种几何受阻的自旋二聚体化合物。我们通过考虑固溶体 Ba$_{3}$(Mn$_{1-x}$V$_{x}$)$_{2}$O$_{8}$（其中非磁性 V$^{5+}$ 离子部分取代磁性 Mn$^{5+}$ 离子），研究了格点无序对该材料零场相图的影响。这种取代导致半取代二聚体产生未配对的 $S=1$ 磁矩，这些磁矩是无能隙的，因此易受母体化合物中不存在的磁有序类型的影响。对 $x=0.046$ 至 $x=0.84$ 之间组分的交流磁化率测量显示，在 210mK 以下的温度出现明显的频率和组分依赖的扭折，表明未配对自旋形成了自旋玻璃。比热中没有任何尖锐特征这一事实，进一步证实了玻璃态的存在。然而，Ba$_{3}$(Mn$_{1-x}$V$_{x}$)$_{2}$O$_{8}$ 并不是典型的自旋玻璃。尽管冻结温度和 Weiss 温度（由 1K 以上的磁化率确定）均随组分强烈变化，但在 $0.18\leq x \leq 0.84$ 这一宽泛区间内，发现每个未配对自旋的热容（在玻璃转变之上）对未配对自旋的密度不敏感。这一令人惊讶的结果与如下场景一致：最近邻未配对自旋在最终自旋冻结之前形成了局部的、可能涨落的自旋单态。自旋玻璃态仅在温度低于单离子各向异性能量尺度时才被发现，这暗示其在决定最终基态方面起着重要作用。还讨论了“稀释”极限（$x < 0.04$ 和 $x > 0.9$）下可能的基态。