Fe$_2$Mo$_3$O$_8$中的结构、声子与轨道自由度

我们报道了多铁性材料 Fe$_2$Mo$_3$O$_8$ 的结构与光谱表征。同步辐射X射线与中子衍射以及热膨胀测量揭示了在 $T_{\mathrm{N}}\simeq 60\,$K 处的晶格反常,但在磁有序态中未显示任何对称性降低。晶格参数 $c$ 表现出非单调行为,在 $200\,$K 附近有显著极小值,这也反映在某些观测到的红外活性光学激发的异常行为中,并与短程磁有序的起始相平行。在 5 至 300$\,$K 频率范围 $100-8000\,$cm$^{-1}$ 内测量的红外反射谱与密度泛函计算所得本征频率相比,揭示了绝大多数预期声子模式。$A_1$ 声子整体随冷却而硬化,而某些 $E_1$ 模式观察到非单调行为。这些模式在 $T_\mathrm{N}$ 以下还显示出显著增加的声子寿命,我们将其归因于磁有序态中轨道矩的猝灭方向。在较高能级的四面体 Fe$^{2+}$ 位点的 $d$-$d$ 激发的寿命中也观察到类似增加,这些激发仅在 $T_\mathrm{N}$ 以下才清晰可见。