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实现可果美自旋冰在失意的金属间化合物

实现可果美自旋冰在失意的金属间化合物

被称为自旋冰的物质的奇异相是由遵循局部“冰规则”的受挫自旋定义的——类似于水冰中的电偶极子。物理学家可以在二维空间中为可果美晶格上的平面同向自旋定义冰的规则。冰的规则可以导致不同的阶数和激发态。在一份新报告科学,菅直人赵和一个团队在实验物理、晶体学,和材料和工程在德国,美国和捷克共和国使用实验和理论方法包括磁力测定,热力学,中子散射和蒙特卡罗模拟建立HoAgGe晶体结晶系统实现外来戈薇旋冰状态。该装置具有多种部分有序和完全有序的状态,以及符合kagome实验要求的低温场诱导相。

物质的奇异相的形成会引起自旋系统的故障。例如,一个分子的局部约束可以导致一个宏观的简并基态数或一个广泛的熵的基态。在二维情况下,冰上规则要求在可果美三角格上精心安排旋转。结果表明,可果美自旋冰在温度变化下表现出多级有序行为。到目前为止,物理学家们只是在实验中实现了可果美自旋冰在人造自旋冰系统中的应用。在这工作。Zhao等人通过多种实验和理论方法,证明了金属间化合物HoAgGe是一种自然存在的可果美自旋冰,具有完全有序的基态。

实现可果美自旋冰在失意的金属间化合物

随后,研究小组对霍格进行了结构和磁力测量。虽然过去进行的中子衍射测量表明了巨物的非共线磁性结构,但这些实验是基于粉末样品的,这些粉末样品在遭受挫折时不足以完全确定磁性结构。赵等人将中子衍射与单晶霍格的热力学测量相结合,展示了其奇异的温度和与磁场相关的磁结构——这与可果美冰定律相一致。为了从基于HoAgGe非平凡自旋结构的中子衍射中充分确定磁性结构,Zhao等人进行了单晶中子衍射实验,其结果为1.8 K。在11.6 K的高温转变下,研究小组观察到了一个磁峰。

当他们在4k时提炼出中子数据时,研究小组观察到一个更详细的磁结构,其中完全有序的基态表示顺时针和逆时针的六角形旋转。得到的√3 x√3基态精确地代表了经典的可果美自旋冰,正如理论预测的那样。根据可果美冰定律,共面自旋之间必须存在最近邻的铁磁耦合,且具有位置依赖的同构类单轴各向异性。在本工作中,Zhao等人计算并证实了HoAgGe晶体晶体电场(CEF)的类ising各向异性。

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为了进一步确认霍格作为可果美自旋冰的真实性,研究小组调查了即使在完全有序的基态之外,现有的冰规则是否适用。他们利用磁场下的中子衍射表明,霍格满足了这些条件,并观察到在超磁跃迁过程中,磁场随突变而增大。为了进一步了解,赵等人对中子散射得到的磁结构进行了细化,并注意到磁跃迁是由于外部磁场与不影响冰规则的较弱耦合之间的竞争造成的。

在确定了可果美冰法则适用于低温下的霍格格冰晶之后,研究小组通过推断晶体的原子核、晶格振动和流动电子对比热的贡献来分离可果美自旋冰的热力学行为。为了确定HoAgGe晶体的Ho离子自旋在何种程度上可以近似地被视为是,Zhao等人接下来讨论了晶体电场(CEF)效应。为了直接理解CEF分裂,他们利用先进的飞行时间谱仪对霍格晶体进行了非弹性中子散射(INS)实验。结果表明,四种低能量CEF模式呈现出各向异性。

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在实验证据的基础上,他们提出了一个经典的自旋模型,该模型包含一个二维扭曲的可果美晶格上的类ising平面自旋。他们在18x18晶格上对经典自旋模型进行了蒙特卡罗模拟,再现了基态和部分有序态,以捕获经典自旋模型和低温下霍格磁的主要特性。该研究建立的模型与偶极和近程戈梅冰案例在交换耦合和远程偶极相互作用方面不同,进一步的研究需要单独研究。

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这样,蒙特卡罗模拟的经典自旋模型只部分符合实验。这种差异可能是由于Ho3 离子的多个较低的CEF水平造成的。在HoAgGe中,金属丰度同时抑制了Ho3 离子的CEF分裂,增强了它们之间的交换耦合,使得两种能量尺度可以与处于低能的CEF水平相媲美。得到的半经典模型仍然可以映射到一个伊辛模型,从而说明了实验的有效性。与其他焦绿石自旋冰相比,霍格冰的金属属性使它成为一种高温的可戈梅冰,并可能导致更多的奇异现象,包括电流和磁单极子之间的相互作用以及金属的磁电效应。

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