磁阻材料 HoBi 中的自旋-轨道序与激子

研究了具有岩盐结构的面心立方稀土单磷族化合物 HoBi 的磁性，该材料是一种具有极大磁阻的候选拓扑材料。从 Ho$^{3+}$ 非 Kramers $J$=8 自旋-轨道多重态出发，立方晶体电场产生了六个近简并的低能级。这些能级构成了一个具有类 Jahn-Teller 晶格耦合的各向异性磁矩。在 $T>T_N~=~5.72(1)~K$ 的立方相中，顺磁中子散射集中在 $\mathbf{k}=(\frac{1}{2}\frac{1}{2}\frac{1}{2})$ 处，并拟合为主要来自相隔 $\{100\}$ 的 Ho 自旋之间的反铁磁相互作用，以及相隔 $\{\frac{1}{2}\frac{1}{2}0\}$ 的自旋之间的铁磁相互作用。对于 $T<T_N$，伴随着四方晶格畸变，形成了 $\mathbf{k}=(\frac{1}{2}\frac{1}{2}\frac{1}{2})$ 的 type-II 反铁磁长程序。虽然来自多畴样品的中子衍射不能唯一确定单个畴内的自旋取向，但体磁化强度、结构畸变以及我们对磁激发的测量均表明易磁化轴与四方轴重合。$T<T_N$ 下的弱色散激子可以通过一个包含晶体电场和交换相互作用的自旋哈密顿量在无规相近似下得到解释。