在畸变蜂窝结构化合物KCuIn(PO4)2中的准二维量子反铁磁性

《physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters》：Quasi-Two-Dimensional Quantum Antiferromagnetism in the Distorted Honeycomb Compound KCuIn(PO4)2

研究铜基磷鎓化合物KCuIn(PO4)2的电子结构和磁性质，结合实验测量、GGA+U框架下的第一性原理计算和量子蒙特卡洛模拟，揭示其具有Cu2?局部自旋矩和自旋-轨道耦合诱导的磁晶各向异性。通过磁力定理分析发现次近邻交换作用占主导地位，层间耦合可忽略，系统可简化为弱耦合自旋链模型。构建有效自旋-1/2哈密顿量后，模拟得到的磁化率与实验数据吻合，证实该材料为准二维量子反铁磁体，建立了电子结构、交换相互作用与集体磁行为的理论关联。

　　

摘要

我们通过实验测量、第一性原理计算和量子蒙特卡罗模拟相结合的方法，研究了扭曲蜂窝晶格化合物KCuIn(PO₄)₂的电子结构和磁性质。在GGA?+?U框架下的密度泛函理论计算表明，KCuIn(PO₄)₂是一种间接带隙绝缘体，其中Cu²⁺具有$S=\frac{1}{2}$局域磁矩，以及由自旋-轨道耦合引起的有限磁晶各向异性。利用磁力定理对磁交换作用进行微观评估后发现，耦合作用呈现出明显的层次结构，其中最近邻（NN）相互作用占据主导地位，而层间耦合可以忽略不计。这种交换层次结构自然地将该系统描述为嵌入在扭曲蜂窝晶格中的弱耦合反铁磁自旋链。受从头算估计的交换作用的启发，我们构建了一个有效的自旋哈密顿量，并通过大规模量子蒙特卡罗模拟研究了其磁响应。计算得到的温度依赖性磁化率和场依赖性磁化强度定量再现了实验结果，揭示了低维量子磁性的关键特征，包括宽的磁化率峰值和低温下的场诱导饱和现象。我们的研究结果表明，KCuIn(PO₄)₂是一种由耦合自旋链组成的准二维量子反铁磁体，为电子结构、交换作用和集体磁行为提供了一个一致的理论框架。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可向通讯作者索取。