Релаксорний фероелектричний стан та особливості динаміки кристалічної гратки у кубічній шпинелі HgCr2S4

Abstract

У даній роботі представлене комплексне дослідження фононної динаміки та магнітних властивостей кубічної тіошпінелі HgCr₂S₄ методом раманівського розсіювання світла. Проведено теоретичні розрахунки динаміки кристалічної решітки із використанням оболонкової моделі в рамках пакету GULP та здійснено експериментальні вимірювання температурної залежності раманівських спектрів у діапазоні 5–295 К. Виявлено п’ять раманівсько-активних фононних мод, частоти яких добре узгоджуються з результатами розрахунків. Показано, що зі зниженням температури фононні моди демонструють суттєві відхилення від стандартної ангармонічної поведінки, зокрема негативні зсуви частот нижче характерної температури T* ≈ 100 К та додаткові аномалії поблизу температури магнітного впорядкування. Встановлено наявність сильного спін-фононного зв’язку, який проявляється як у зміні частот, так і у ширині фононних ліній. Отримані результати підтверджують гіпотезу щодо існування релаксорного фероелектричного стану в HgCr₂S₄ та вказують на суттєву роль фрустрованих магнітних взаємодій і структурної нестабільності у формуванні динаміки кристалічної решітки. Дослідження розширює розуміння взаємодії магнітних і граткових ступенів свободи в складних оксидних та халькогенідних системах.

This work presents a comprehensive study of the phonon dynamics and magnetic properties of the cubic thiospinel HgCr₂S₄ using Raman scattering spectroscopy. Theoretical calculations of lattice dynamics were performed within the shell model using the GULP package, and temperature-dependent Raman spectra were measured in the range of 5–295 K. Five Raman-active phonon modes were identified, showing good agreement with calculated frequencies. It is demonstrated that upon cooling, the phonon modes exhibit significant deviations from conventional anharmonic behavior, including negative frequency shifts below the characteristic temperature T* ≈ 100 K and additional anomalies near the magnetic ordering temperature. Strong spin-phonon coupling is revealed through anomalies in both phonon frequencies and linewidths. The obtained results support the hypothesis of a relaxor ferroelectric state in HgCr₂S₄ and highlight the important role of frustrated magnetic interactions and structural instability in lattice dynamics. This study contributes to a deeper understanding of the interplay between magnetic and lattice degrees of freedom in complex chalcogenide systems.