スピン-1/2結合した正方形四量体系K(NbO)Cu(PO)の合成・構造・異常磁気秩序

Synthesis, Structure, and Anomalous Magnetic Ordering of the Spin-1/2 Coupled Square Tetramer System K(NbO)Cu(PO).

• Kenta Kimura
• Daisuke Urushihara
• Toru Asaka
• Masayuki Toyoda
• Atsushi Miyake
• Masashi Tokunaga
• Akira Matsuo
• Koichi Kindo
• Kunihiko Yamauchi
• Tsuyoshi Kimura

抄録

複数のスピンが弱結合したクラスターを持つ準ゼロ次元反強磁性体は、エキゾチックな量子状態を探索するための優れたプラットフォームとなり得る。ここでは、銅ベースの絶縁性反強磁性体K(NbO)Cu(PO)の合成と特性評価について報告する。単結晶X線回折測定の結果、この結晶構造は正方晶空間群4/に属し、Cuイオンがスピン-1/2結合した正方形四量体の準2次元層を形成することがわかった。この構造は、最近報告された422空間群を持つ磁電反強磁性体(TiO)Cu(PO) (= Ba, Sr, Pb)と準同構造である。構造的な類似性にもかかわらず、(TiO)Cu(PO)の反強磁性転移は磁化と熱容量に従来の異常を示すのに対し、K(NbO)Cu(PO)の反強磁性転移は磁化率の上昇やスピンエントロピーの放出が3%程度と非常に弱い比熱異常を示すなど、いくつかの特異な特徴を持っている。これらの結果は、K(NbO)Cu(PO)の磁性が(TiO)Cu(PO)の磁性とは大きく異なることを示しており、基底状態が量子非磁性一重項状態に非常に近いことを示唆している。K(NbO)Cu(PO)における明瞭な磁性の起源については、四角四量体を形成するCuOユニットの構造変化の観点から議論されている。本研究では、拡張化学式(O)Cu(PO) (= KNb, BaTi, SrTi, PbTi)で表される本物質ファミリーが、その磁性を幅広く化学的に制御できることを示した。このことは、量子スピン-1/2結合四量体の物理を研究するための魅力的な材料プラットフォームとなっています。

Quasi-zero-dimensional antiferromagnets with weakly coupled clusters of multiple spins can provide an excellent platform for exploring exotic quantum states of matter. Here, we report the synthesis and the characterization of a copper-based insulating antiferromagnet, K(NbO)Cu(PO). Single-crystal X-ray diffraction measurements reveal that the crystal structure belongs to the tetragonal space group 4/, in which Cu ions align to form a quasi-two-dimensional layer of spin-1/2 coupled square tetramers. The structure is quasi-isostructural to recently reported magnetoelectric antiferromagnets, (TiO)Cu(PO) ( = Ba, Sr, and Pb) with the 422 space group. Despite their structural similarities, whereas the antiferromagnetic transition in (TiO)Cu(PO) produces conventional anomalies in magnetization and heat capacity, that in K(NbO)Cu(PO) has several unusual features such as an upturn in magnetic susceptibility and a very weak specific heat anomaly that corresponds to a spin entropy release as small as 3%. These results indicate that the magnetism of K(NbO)Cu(PO) is far different from that of (TiO)Cu(PO) and suggest that the ground state is very close to a quantum nonmagnetic singlet state. The origin of the distinct magnetism in K(NbO)Cu(PO) is discussed in terms of structural modifications of a CuO unit forming a square tetramer. Our study demonstrates that the present material family, represented by an extended chemical formula (O)Cu(PO) ( = KNb, BaTi, SrTi, and PbTi), has broad chemical controllability of their magnetism. This makes this system an attractive material platform to study the physics of quantum spin-1/2 coupled square tetramers.