Spin Hamiltonian, order out of a Coulomb phase, and pseudocriticality in the frustrated pyrochlore Heisenberg antiferromagnetFeF3

Abstract

FeF3, with its half-filled Fe 3+ 3d orbital, hence zero orbital angular momentum and S = 5/2, is often put forward as a prototypical highly-frustrated classical Heisenberg pyrochlore antiferromagnet. By employing ab initio density functional theory (DFT), we obtain an effective spin Hamiltonian for this material. This Hamiltonian contains nearest-neighbor antiferromagnetic Heisenberg, bi-quadratic and Dzyaloshinskii-Moriya interactions as dominant terms and we use Monte Carlo simulations to investigate the nonzero temperature properties of this minimal model. We find that upon decreasing temperature, the system passes through a Coulomb phase, composed of shortrange correlated coplanar states, before transforming into an "all-in/all-out" (AIAO) state via a very weakly first order transition at a critical temperature Tc ≈ 22 K, in good agreement with the experimental value for a reasonable set of Coulomb interaction U and Hund's coupling JH describing the material. Despite the transition being first order, the AIAO order parameter evolves below Tc with a power-law behavior characterized by a pseudo "critical exponent" β ≈ 0.18 in accord with experiment. We comment on the origin of this unusual β value.

Field-induced ordering in dipolar spin ice

“…There are no symmetry arguments dictating that the transition be first order. Indeed, there are several examples in the literature of model frustrated systems in which a transition evolves in parameter space from first to second order via a tricritical point [44][45][46][47] and this evolution is relevant to experiment for the frustrated pyrochlore compounds Er 2 Ti 2 O 7 [46] and FeF 3 [47]. It is therefore quite possible that, by varying the perturbative parameters of the DSI one could drive a change in the order of the transition, in line with experiment.…”

NaCaNi2F7: A frustrated high-temperature pyrochlore antiferromagnet withS=1NKrizan1, Cava2 2015Phys. Rev. B464550View full textAdd to dashboardCite

“…[13][14][15][16] There is theoretical interest in the FeF 3 pyrochlore, but unfortunately, the methods employed for its synthesis likely preclude the growth of this material as large single crystals. 15,17,18 In contrast, the S = 1 NaCaNi 2 F 7 and S = 3/2 NaCaCo 2 F 7 and NaSrCo 2 F 7 fluoride pyrochlores have now been grown as cm-scale single crystals, suggesting that transition metal fluorides have the potential to develop into a significant and readily accessible new family of geometrically frustrated magnets. 4,5 …”

Фазовые Переходы В Атиферромагнитной Модели Гейзенберга На Объемно-Центрированной Кубической Решетке С Учетом Взаимодействий Следующих Ближайших Соседей

“…Теоретические расчеты и численное моделирование методом МК для этой модели были проведены в работах [11][12][13][14][15][16]. Авторы работ методом МК провели исследование критического поведения модели Гейзенберга на различных типах решеток, вычислили температуру ФП и рассчитали значения термодинамических параметров в критической области.…”

“…Авторы работ методом МК провели исследование критического поведения модели Гейзенберга на различных типах решеток, вычислили температуру ФП и рассчитали значения термодинамических параметров в критической области. Теоретические исследования, проведенные в работах [11,12], свидетельствуют о том, что для модели Гейзенберга на решетке пирохлора имеет место слабовыраженный ФП первого рода в двух различных типах коллинеарных магнитоупорядоченных состояний. Состояние, реализуемое при более сильной спин-решеточной связи, является кубической симметрией, характеризуемой магнитными Брегговскими пиками, а при более слабой -тетрагональной симметрией, характеризуемой соответственными локальными искажениями.…”