四方 BaCoO$_3$: 一种 Co$^{4+}$ 铁磁 Mott 绝缘体及其反向自旋交叉

钴基钙钛矿晶体中晶体电场分裂 d 态与 Hund 定则交换能之间的相互作用提供了诱导自旋态转换的可行途径。本研究报告了一种新的以四方双钙钛矿结构 (EuTiO$_3$-型, 空间群 I4/mcm, #140) 合成的 BaCoO$_3$ 相 (BCT-BaCoO$_3$), 其在 15 GPa 的高压和 1200 ${\deg}$C 的高温条件下合成。BCT-BaCoO$_3$ 采用四方双钙钛矿结构, 经高分辨率扫描透射电子显微镜确认。X射线光电子能谱揭示一种罕见的 Co$^{4+}$ 价态。磁化和 X 吸收测量显示, 在 200~300 K 之间发生低自旋到高自旋转变。尽管自旋交叉在常见氧化物中相对常见, 但在 BCT-BaCoO$_3$ 中观察到的自旋交叉在方向上与常规自旋转变相反。BCT-BaCoO$_3$ 在高温呈现低自旋 (S = 1/2) 状态, 并在低温过渡到高自旋 (S = 5/2) 状态。在高自旋状态下, 硬铁磁有序在 T$_C$ = 107 K 处发生。电阻测量表明其呈现弱磁阻和绝缘行为。总体而言, BCT-BaCoO$_3$ 作为钴基钙钛矿中自旋态转换的异常模型, 为该领域的探索提供了可能。