探究双钙钛矿钌酸盐Ca2ScRuO6的磁基态与磁弹性耦合

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Probing the magnetic ground state and magnetoelastic coupling in double perovskite ruthenate : Ca2 ScRuO6

　　

钌酸盐作为含单一磁性钌（Ru）原子的材料体系，常表现出从超导到交替磁性的奇异基态阵列。研究人员针对4d3双钙钛矿钌酸盐系列A2ScRuO6（A = Ca、Sr、Ba）中研究较少的成员Ca2ScRuO6开展磁基态研究。该材料在约40 K的反铁磁类相变温度以上，观察到极不寻常的双曲型温度依赖反磁化率行为。结构分析进一步揭示Ru与Sc位点间的原子占位交换，导致材料中Ru呈现混合价态：Ru5+与Ru4+共存。中子粉末衍射测量在4 K低温下检测到磁布拉格峰，并在40 K有序温度附近观测到中等强度磁弹性耦合。对应对称性分析表明其为弱A型反铁磁基态，每个Ru原子磁矩降至1.1 μB。研究证实Mott绝缘体Ca2ScRuO6中存在反常磁基态：长程有序反铁磁体与微小磁团簇共存，共同导致了高温区双曲型反磁化率特征。该体系为研究反位无序背景下长程磁有序提供了独特平台。

该研究聚焦4d过渡金属氧化物中电子关联与自旋轨道相互作用的竞争机制，针对双钙钛矿钌酸盐A₂ScRuO₆系列中Ca₂ScRuO₆成员的研究空白展开。此前同系列Sr₂ScRuO₆与Ba₂ScRuO₆已证实为长程有序反铁磁绝缘体，但Ca基成员因离子半径差异可能导致晶格畸变与位点无序，其磁基态尚不明确。现有4d³体系磁基态理论存在争议：传统预测为S=3/2经典自旋态，而相对论自旋轨道耦合可能形成J_eff=3/2基态。研究人员通过多尺度表征揭示Ca₂ScRuO₆中反位无序诱导的混合价态与反常磁行为，填补了该系列物性研究的缺失环节，为理解强关联体系中晶格-自旋耦合机制提供新范式。论文发表于《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》。

研究人员采用固相反应法合成多晶Ca₂ScRuO₆样品，结合粉末X射线衍射（PXRD）与中子粉末衍射（NPD）进行晶体结构精修，利用X射线吸收谱（XAS）分析Ru价态，通过磁化率、比热与电阻率测量表征宏观物性，最终借助NPD数据开展磁结构对称性分析。

结构表征

Rietveld精修证实材料结晶于单斜P2₁/n空间群，存在14%的Ru/Sc反位无序。这种阳离子混排导致Ru价态分裂为Ru⁵⁺与Ru⁴⁺，且氧退火处理无法消除该本征特性。

磁性与输运性质

宏观测量显示材料呈Mott绝缘行为，在40 K出现类反铁磁转变。高温区反磁化率呈现独特的双曲温度依赖性，区别于常规居里-外斯行为。

中子衍射与磁结构

4 K中子衍射图谱中出现磁布拉格峰，证明长程磁有序存在。对称性分析确定其为弱A型反铁磁结构，有序磁矩为1.1 μ_B/Ru，显著低于同系列其他成员（~2 μ_B）。40 K附近观察到晶格参数异常，证实中等强度磁弹性耦合。

讨论与结论

反位无序导致的Ru混合价态是磁基态反常的根源：Ru⁴⁺与Ru⁵⁺共存削弱有效磁矩，微量磁团簇贡献高温区非线性磁响应。该工作阐明晶格无序与电子关联协同调控4d³双钙钛矿磁基态的物理机制，为设计氧化物自旋电子学材料提供新思路。