Substitution of 4<i>d</i> magnetic ions of a Kitaev-Heisenberg magnet by 3<i>d</i> magnetic ions: the case of Ru<sub>1-x</sub>Cr<sub>x</sub>Cl<sub>3</sub>

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Abstract

The Jeff=1/2 Mott insulator alpha-RuCl3 is a promising candidate for the realization of the Kitaev-Heisenberg model. It harbors an antiferromagnetic ground state below TN=7K, however, this ordered state can be suppressed by a magnetic field through a quantum critical point toward a possible quantum spin liquid [1]. In this study, the Ru3+ ions with Jeff=1/2 moments were partially substituted by Cr3+ ions with S=3/2. The effect of this substitution on the magnetic interactions, the magnetic ground state and the field-induced quantum spin liquid were studied by means of magnetization, ac susceptibility and specific heat measurements. The ground state of Ru1-xCrxCl3 was found to be a spin glass on a broad Cr concentration range with a maximum of the freezing temperature around x=0.5. Moreover, the evolution of the magnetic anisotropy with the substitution reveals a rather complex nature of the magnetic interaction between the Ru and Cr magnetic moments.

[1] S.-H. Baek, S.-H. Do, K.-Y. Choi, Y. S. Kwon, A. U. B.Wolter, S. Nishimoto, J. van den Brink, and B. Büchner, Phys. Rev. Lett. 119, 037201 (2017).

*This research has been supported by the European Union’s Horizon
2020 research and innovation programme under the Marie
Sklodowska-Curie Grant Agreement No 796048.

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Presenters

  • Gaël Bastien

    • Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden, 01171 Dresden, Germany

Authors

  • Gaël Bastien

    • Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden, 01171 Dresden, Germany

  • Maria Roslova

    • Fakultät für Chemie und Lebensmittelchemie, Technische Universität Dresden, 01062 Dresden, Germany

  • Mohammad Hossein Haghighi

    • Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden, 01171 Dresden, Germany

  • Kavita Mehlawat

    • Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden, 01171 Dresden, Germany

  • Konstantin Nenkov

    • Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden, 01171 Dresden, Germany

  • Jens Hunger

    • Fakultät für Chemie und Lebensmittelchemie, Technische Universität Dresden, 01062 Dresden, Germany

  • Anna Isaeva

    • Fakultät für Chemie und Lebensmittelchemie, Technische Universität Dresden, 01062 Dresden, Germany

  • Matthias Vojta

    • Institut für Theoretische Physik, Technische Universität Dresden, 01062 Dresden, Germany

  • Thomas Doert

    • Fakultät für Chemie und Lebensmittelchemie, Technische Universität Dresden, 01062 Dresden, Germany

  • Anja Wolter

    • Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden, 01171 Dresden, Germany

  • Bernd Büchner

    • Institute for Solid State Physics, IFW Dresden
    • Leibniz Institute for Solid State and Materials Research
    • Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden, 01171 Dresden, Germany