Fourier-transform infrared spectroscopy on strongly correlated K2ReCl6

The rich field of strongly correlated material presents unusual and exotic properties. Adding the ingredient of strong spin-orbit coupling leads to the emergence of a new physics dominated by J moments. The study of how spin-orbit coupling influences the ground and excited states of 5d transition metal compounds is still an open discussion. This can be investigated by using Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) which is very sensible to d-d excitations and provides a high resolution and reliability with re- spect to traditional IR spectroscopy. In this thesis, we present the study of the K2ReCl6 crystal with the half-filled t2g shell and a 5d3 electronic configuration. In the LS scheme, this leads to a S = 3/2 ground state, where no spin-orbit effects are present since the to- tal angular momentum is quenched. The situation changes for strong spin-orbit coupling, accounting for each electron individually, the 3-electron ground state is predicted to be j = 3/2 and be Jahn-Teller active. In this scenario, by using FT-IR, it can be studied the optical conductivity σ1(ω) of the system, consisting of intra-t2g and Mott gap excitations, to get a value of the Hund’s coupling JH and spin-orbit coupling ζ. The ratio between the experimental result of ζ = 290 meV and JH = 464 meV collocates the material in an intermediate spin-orbit coupling scenario, but the strength of the coupling is not strong enough to drive a pronounced Jahn-Teller effect. The S = 3/2 multiplet wavefunction is found to carry still 93 % of the weight of the ground state, indicating the small influence of spin-orbit coupling.

Il campo dei materiali fortemente correlati presenta proprietà esotiche e inusuali. L’aggiunta di un forte effetto di spin-orbita porta alla scoperta di un nuovo tipo di fisica, dominata da momenti J e nuovi tipi di interazioni. Come questi effetti di spin-orbita influenzino le proprietà dello stato fondamentale del materiale è ancora oggetto di studio. La spettro- scopia di Fourier (FT-IR), con la sua alta risoluzione e sensibilità alle eccitazioni d-d, è un ottimo metodo per lo studio di questi materiali e sarà la tecnica utilizzata per questo lavoro. In questa tesi viene presentato lo studio del cristallo di K2ReCl6, con una con- figurazione elettronica 5d3 e i tre elettroni che riempiono per metà gli orbitali t2g. In uno schema LS, questo porta ad uno stato fondamentale S = 3/2 dove gli effetti di spin orbita sono annullati, essendo il momento angolare totale zero. La situazione cambia in presenza di materiali con forte effetto spin orbita. Infatti in questo caso, lo schema più adatto da adottare è quello jj, che porta ad uno stato fondamentale j = 3/2, per cui è stato teoricamente calcolato un effetto di distorsione Jahn-Teller. Questo lavoro indaga, per mezzo della spettroscopia di Fourier, la conduttività ottica σ1(ω) andando a studiare da essa le transizioni intra-t2g e quelle attraverso il gap di Mott. Questo studio porta alla determinazione dei parametri di Hund JH e di spin orbita ζ. Il rapporto tra il valore di ζ= 290 meV e di JH = 464 meV colloca il materiale in una situazione intermedia di coupling, ma non abbastanza forte da causare un effetto di distorsione di Jahn-Teller. Inoltre lo stato fondamentale complessivo è composto al 93 % dal multipletto S = 3/2, dimostrando come per questo tipo di materiale l’interazione di spin-orbita non cambi drasticamente le sue proprietà.