Evolution of ground state in Cr2Te3 single crystal under applied magnetic field

反铁磁性 基态 相变 凝聚态物理 顺磁性 物理 铁磁性 订单(交换) 材料科学 原子物理学 财务 经济
作者
Zhongzhu Jiang,Xin Liang,Xuan Luo,Jingjing Gao,Wei Wang,T. Y. Wang,X. C. Yang,Xuelian Wang,Lei Zhang,Yuping Sun,Peng Tong,Jifan Hu,Wenhai Song,W. J. Lu,Yuping Sun
出处
期刊:Physical review 卷期号:106 (9) 被引量:3
标识
DOI:10.1103/physrevb.106.094407
摘要

Two-dimensional magnetic materials hold great promise for applications toward efficient data storage and transfer. It would be a huge advantage if their ground-state properties had strong responses against external stimulations, such as magnetic and electric fields. Here, we report several intriguing discoveries in single-crystal ${\mathrm{Cr}}_{2}{\mathrm{Te}}_{3}$. Based on comprehensive specific heat, differential scanning calorimetry, variable-temperature x-ray diffraction, and linear-thermal-expansion measurements, we find that ${\mathrm{Cr}}_{2}{\mathrm{Te}}_{3}$ has a low-temperature ferromagnetic (FM) ground-state phase, which changes to an antiferromagnetic (AFM) phase when temperature is increased to ${T}_{\mathrm{C}}$ = 160 K. This FM-AFM transition is a first-order phase transition, and the transition temperature can be further enhanced to 178 K by a moderate magnetic field. At the same time, the first-order phase transition will transform into a second-order phase transition, indicating strong spin-lattice coupling (SLC). A second-order AFM-paramagnetic phase transition emerges at ${T}_{\mathrm{N}}=181$ K. This AFM phase is gradually suppressed by the magnetic field and eventually disappears at a critical field of 0.48 T. The SLC results in a notable negative-thermal-expansion coefficient of $\ensuremath{-}17.2$ ppm/K and a remarkable magnetostriction coefficient of 44.7 ppm/T at 200 K. With the assistance of first-principles density functional theory calculations and Monte Carlo simulations, we conclude that the collinear FM, canted FM, and AFM configurations in ${\mathrm{Cr}}_{2}{\mathrm{Te}}_{3}$ depend on the temperature and applied magnetic field. Our work reveals the highly tunable magnetic phases and SLC in ${\mathrm{Cr}}_{2}{\mathrm{Te}}_{3}$, which will be helpful for developing the potential functionalities of this material.
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