具有鍵依賴性各向異性交互作用的磁矩材料,例如基於蜂巢晶格的 Kitaev 模型,因其新穎的協同行為而備受關注。這些材料中的磁矩取向受到晶格中不同鍵的影響,可能導致非常規磁序或量子自旋液體的出現。雖然 4d 和 5d 過渡金屬離子在蜂巢晶格上的自旋軌道糾纏磁矩物理學已經被廣泛研究,但由於材料合成的挑戰,極端自旋軌道耦合體制下的稀土離子物理學在很大程度上仍未得到實驗探索。
本研究成功合成了 β-Na2PrO3 的粉末和單晶,其中 Pr4+ 4f1 離子(jeff = 1/2 磁矩)排列在超蜂巢晶格上,具有與平面蜂巢相同的 threefold 配位。通過結合中子衍射和非彈性散射以及磁對稱性分析和自旋波計算,我們獲得了具有能隙和強色散自旋波激發的高度非共線磁結構的完整解。我們提供的證據表明,這種物理學是由鍵依賴性、各向異性非對角交換作用之間的阻挫所支配的,這是一種迄今為止尚未通過實驗探索的羅盤量子自旋模型。
β-Na2PrO3 中的非共線磁序和自旋能隙是由阻挫的鍵依賴性各向異性交互作用所導致的,這與廣泛研究的 Kitaev 交互作用不同。我們的研究結果表明,稀土離子在 threefold 配位晶格上為探索極端自旋軌道耦合體制下的量子羅盤自旋模型提供了一個平台,其物理學性質與 4d 和 5d Kitaev 材料截然不同。
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