Spin-liquid Behaviour in Sc 2 Ga 2 CuO 7 Avinash V. Mahajan IIT - - PowerPoint PPT Presentation
Workshop on current trends in frustrated magnetism, 9-13 Feb 2015, JNU Spin-liquid Behaviour in Sc 2 Ga 2 CuO 7 Avinash V. Mahajan IIT Bombay GENERAL THEME OF OUR WORK Explore systems for novel magnetism Low dimensional, frustrated
Workshop on current trends in frustrated magnetism, 9-13 Feb 2015, JNU
Balents, KITP
Few examples: Triangular: NiGa2S4, Ba3CuSb2O9 Kagome: ZnCu3(OH)6Cl2, SrCr9pGa12−9pO19 Hyperkagome: Na4Ir3O8 Pyrochlore: Y2Mo2O7, Ho2Ti2O7
Triangular Cu planes Triangular Ga bi-planes Triangular Cu planes 14 Å
Ò Small amts of impurities….Sc2O3~1.2 %, CuGa2O4~0.5% Ò Cu-Ga antisite disorder expected due to their similar ionic sizes. Ò Due to similar scattering lengths of Cu and Ga (in both XRD
and ND), refinements are very similar for various occupancies
Ò The (0, 0, 0.25) planes are nearly fully Ga (10-15% Cu). The
biplanes are an equal mix.
Triangular Cu Ga planes Triangular Ga-Cu bi-planes Triangular Cu Ga planes 14 Å
100 200 300 400 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Z F C ¡C urie-‑Weis s ¡F it
¡
χ (10-‑2 ¡cm3/mol)
T (K )
1 10 100 0.00 0.01 0.02 0.03
¡Z F C
¡F C
χ (cm3/mol)
T (K ) H= ¡25 ¡Oe
2 4 6 8 10 12
(χ−χ0)
−1
¡
(χ−χ
χ−χ0)-‑1(102 ¡m ol/C m 3)
H ¡= ¡5 ¡kO e
µeff = 1.79 µB θ ~ -50 K No ZFC/FC bifurcation
200 400 600 800 1000
¡ ¡ ¡
¡1.8K ¡2.5K ¡3.0K ¡3.6K ¡4.5K ¡ ¡F IT ¡
M ¡(G ¡cm
3/mol)
g=2.0 (a)
¡ ¡ ¡ ¡
(b)
¡1.8K ¡2.5K 3.0K ¡3.6K ¡4.5K ¡ ¡F IT
g=2.1
20 40 60 80 200 400 600 800 1000
¡ ¡ ¡
(c)
¡1.8K ¡2.5K ¡3.0K ¡3.6K ¡4.5K ¡ ¡F IT
¡g=2.2
H (kO e)
20 40 60 80
¡ ¡ ¡ ¡
(d)
¡1.8K ¡2.5K ¡3.0K ¡3.6K ¡4.5K ¡ ¡F IT
g=2.3
M (H, T) = χH + Brillouin fcn consistent with about 12% free spins
71Ga NMR (AMES LAB)
NMR susceptibility shows a broad max around 50 K Above 30K consistent with HTSE of triangular Heisenberg Two Ga lines originate from the Ga in the two planes
71Ga AND 45Sc SPIN-LATTICE RELAXATION RATE
1/T1 α T3.2 1/KT1T α A Γ/(Γ2 + ωN
2)
Γ is the inverse of the correlation time of fluctuating hyperfine fields at the nucleus
Slowing down of fluctuation frequency of Cu spins
1 10 100 0.01 0.1 1 10 100
10kO e
C p ¡(J /mol ¡K ) T (K )
0kO e 40kO e 70kO e 90kO e 120kO e 140kO e
Schottky anomaly Schottky + Lattice + “intrinsic”
Ò Subtract data at different fields from each other (removes the
lattice and any field independent contribution)
Ò Fit such data to a combination of two Schottky terms Ò Obtain (i) the Schottky gap for various fields and the (ii) fraction
Ò Fit high-T data to a combination of Einstein and Debye terms…
extrapolate to low-T
Ò Subtract Schottky and lattice part from the measured data to
50 100 150 200 250 300 350 50 100 150 200 250 300 350
¡C p(T ) ¡(0 ¡O e) ¡ ¡F it ¡(20-‑90K ) ¡ ¡F it ¡(0.35-‑300K )
C p ¡(J /mol ¡K )
T ¡(K )
9 18 27 2 4 6 8
¡C p ¡(0 ¡O e) ¡F IT
¡ ¡C p ¡(J /mol ¡K )
T (K )
(a)
20 40 60 80 0.0 0.4 0.8 1.2
(b)
¡ ¡ΔS ¡(J /mol ¡K )
T (K )
1 Debye + 3 Einstein with weights 1:1:4:6 Entropy change only about 20%
Even lower at higher fields.
2 4 6 0.0 0.2 0.4
0kO e 40kO e 70kO e 90kO e 120kO e 140kO e
¡ ¡
Broad max around 2-4 K Similar max seen in other frustrated systems NiGa2S4, Na4Ir3O8, Ba3CuSb2O9, Ba3NiSb2O9
1 10 0.010 0.100 ¡0kO e ¡40kO e ¡70kO e ¡90kO e 120kO e 140kO e
¡ ¡
0.31 0.92
Note that in high field data below 1K There is negligible Schottky as also lattice contribution. Exponent is more robust. In any case, there is a field induced suppression of Cm at low-T.