($A,A'$)Cr$_2$O$_4$($A$=Mg, Zn; $A^\prime}$ = Co, Cu) 尖晶石固溶体的结构基态：自旋-Jahn-Teller 效应与 Jahn-Teller 效应

我们研究了在阻挫尖晶石 MgCr$_2$O$_4$ 和 ZnCr$_2$O$_4$ 的 $A$ 位点掺入少量磁性替代物的效应。具体而言，我们考察了自旋与晶格无序对这些化合物中伴随磁有序的结构变化的影响。在 Zn$_{1-x}$Co$_{x}$Cr$_2$O$_4$（0\,$<$\,$x$\,$\leq$\,0.2）中，用 Co$^{2+}$ 替代非磁性 Zn$^{2+}$ 位点会完全抑制 ZnCr$_2$O$_4$ 的自旋-Jahn-Teller 畸变，尽管这些体系仍保持阻挫状态，且磁有序发生在极低的温度（$T$\,$<$\,20\,K）下。另一方面，在 Mg$_{1-x}$Cu$_{x}$Cr$_2$O$_4$ 和 Zn$_{1-x}$Cu$_{x}$Cr$_2$O$_4$（0\,$<$\,$x$\,$\leq$\,0.2）中，用 Jahn-Teller 活性的 Cu$^{2+}$ 替代 Mg$^{2+}$ 和 Zn$^{2+}$ 会在远高于这些固溶体 N\'eel 温度的温度下诱发 Jahn-Teller 有序，然而自旋相互作用仍保持阻挫状态，长程磁有序在 20\,K 以下发生且无进一步的晶格畸变。发生 Jahn-Teller 畸变的固溶体 Mg$_{1-x}$Cu$_{x}$Cr$_2$O$_4$ 和 Zn$_{1-x}$Cu$_{x}$Cr$_2$O$_4$ 采用了铁磁体 CuCr$_2$O$_4$ 的正交 $Fddd$ 结构。对 Zn$_{1-x}$Cu$_{x}$Cr$_2$O$_4$ 的全中子散射研究表明，在室温下这些含 Cu$^{2+}$ 的固溶体中存在局域 $A$O$_4$ 畸变，且当平均结构畸变发生时这些畸变变为协同的。随着在这些阻挫化合物的非磁性阳离子位点上掺入磁性阳离子，磁性从 MgCr$_2$O$_4$ 和 ZnCr$_2$O$_4$ 中的补偿反铁磁性演化为非补偿反铁磁性。