Исследовательское подразделение, в которое входят доцент Кендзи Кодзима и профессор Риосуке Кадоно из Института материаловедения, KEK, исследовало магнитные свойства соединения иридия Cu1-xZnxIr2S4 с использованием метода вращения спина мюона. Это было предпринято в сотрудничестве с главным научным сотрудником Хироюки Сузуки и директором подразделения Хидеаки Китадзава из отдела передовых ключевых технологий, NIMS.
Исследователи обнаружили, что материал-хозяин с нулевой концентрацией цинка (x = 0) CuIr2S4 не является немагнитным, как считалось ранее, но проявляет новый магнетизм ниже ~ 100 К, и что это состояние магнетизма быстро исчезает, когда небольшое количество цинка (x ~ 0.01) заменены.
Исследованное соединение иридия CuIr2S4 имеет структуру шпинели и является металлическим при комнатной температуре, но становится изолятором ниже 230 К.
Предыдущий структурный анализ показал, что, становясь изолятором, иридий разделяется на четырехвалентные и трехвалентные ионы, каждый из которых образует октамеры. Более того, один тип связи между четырехвалентным октамером иридия (зеленые, синие и красные линии на рис. 1) становится короче остальных, и пары иридия по обе стороны от этих связей образуют четыре независимые пары.
Такие структурные изменения были подтверждены в образцах, синтезированных группой NIMS, посредством структурного анализа с использованием синхротронного рентгеновского излучения от KEK Photon Factory.
Исследования магнитных свойств соединения иридия CuIr2S4 с использованием вращения спина мюона в J-PARC и TRIUMF (Канада) обнаружили неоднородное внутреннее магнитное поле ниже ~ 100 К, которое считается индуцированным магнитными моментами иридия.
Спин-стекло – это один из классов магнитных материалов, который иллюстрирует такой магнетизм. Ранее считалось, что CuIr2S4 имеет пары электронных спинов, когда тетраэдры искажаются в одном направлении при низкой температуре, и что это спиновое синглетное состояние устраняет магнитную фрустрацию; однако представленные здесь результаты отвергают эту гипотезу.
Команда также обнаружила, что замещение меди цинком (Cu1-xZnxIr2S4) приводит к внезапной потере магнетизма в иридии при x ~ 0.01 (1%). Известно, что сверхпроводимость возникает при x больше ~ 0.25 в этом материале, поэтому связь между магнетизмом, обнаруженным в этом исследовании, и сверхпроводимостью вызывает большой интерес. В результате ожидается, что CuIr2S4 предоставит новое направление исследований, отличное от Sr2IrO4, которое дополнительно рассматривает эффект спин-орбитального взаимодействия в переходных металлах.
Открытие в этом исследовании является первым экспериментальным свидетельством важности спин-орбитальных взаимодействий, которые ранее игнорировались в CuIr2S4, а также показывает, что этот материал открывает новую область исследований в отношении спин-орбитальных взаимодействий в переходных металлах. Результаты опубликованы в онлайн-версии журнала Physical Review Letters.