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Spin glass behavior in frustrated quantum spin system CuAl<sub>2</sub>O<sub>4</sub> with a possible orbital liquid state
저자
Nirmala, R ; Jang, Kwang-Hyun ; Sim, Hasung ; Cho, Hwanbeom ; Lee, Junghwan ; Yang, Nam-Geun ; Lee, Seongsu ; Ibberson, R M ; Kakurai, K ; Matsuda, M ; Cheong, S-W ; Gapontsev, V V ; Streltsov, S V ; Park, Je-Geun
발행기관
학술지명
권호사항
발행연도
2017
작성언어
-등재정보
SCI,SCIE,SCOPUS
자료형태
학술저널
수록면
13LT01
제공처
소장기관
<P>CuAl<SUB>2</SUB>O<SUB>4</SUB> is a normal spinel oxide having quantum spin, <I>S</I> = 1/2 for Cu<SUP>2+</SUP>. It is a rather unique feature that the Cu<SUP>2+</SUP> ions of CuAl<SUB>2</SUB>O<SUB>4</SUB> sit at a tetrahedral position, not like the usual octahedral position for many oxides. At low temperatures, it exhibits all the thermodynamic evidence of a quantum spin glass. For example, the polycrystalline CuAl<SUB>2</SUB>O<SUB>4</SUB> shows a cusp centered at ~2 K in the low-field dc magnetization data and a clear frequency dependence in the ac magnetic susceptibility while it displays logarithmic relaxation behavior in a time dependence of the magnetization. At the same time, there is a peak at ~2.3 K in the heat capacity, which shifts towards a higher temperature with magnetic fields. On the other hand, there is no evidence of new superlattice peaks in the high-resolution neutron powder diffraction data when cooled from 40 to 0.4 K. This implies that there is no long-ranged magnetic order down to 0.4 K, thus confirming a spin glass-like ground state for CuAl<SUB>2</SUB>O<SUB>4</SUB>. Interestingly, there is no sign of structural distortion either although Cu<SUP>2+</SUP> is a Jahn–Teller active ion. Thus, we claim that an orbital liquid state is the most likely ground state in CuAl<SUB>2</SUB>O<SUB>4</SUB>. Of further interest, it also exhibits a large frustration parameter, <I>f</I> = |<I>θ</I> <SUB>CW</SUB>/<I>T</I> <SUB>m</SUB>| ~ 67, one of the largest values reported for spinel oxides. Our observations suggest that CuAl<SUB>2</SUB>O<SUB>4</SUB> should be a rare example of a frustrated quantum spin glass with a good candidate for an orbital liquid state.</P>
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