Geometric frustration in the mixed layer pnictide oxides

We present results from a Monte Carlo investigation of a simple bilayer model with geometrically frustrated interactions similar to those found in the mixed layer pnictide oxides (Sr2Mn3Pn2O2, Pn = As, Sb). Our model is composed of two inequivalent square lattices with nearest-neighbor intralayer and interlayer interactions. We find a ground state composed of two independent Néel-ordered layers when the interlayer exchange is an order of magnitude weaker than the intralayer exchange, as suggested by experiment. We observe this result independent of the number of layers in our model. We find evidence for local orthogonal order between the layers, but it occurs in regions of parameter space that are not experimentally realized. We conclude that frustration caused by nearest-neighbor interactions in the mixed layer pnictide oxides is not sufficient to explain the long-range orthogonal order that is observed experimentally, and that it is likely that other terms (e.g., local anisotropies) in the Hamiltonian are required to explain the magnetic behavior. PACS Nos.: 75.10Hk, 75.40Mg, 75.50-y, 75.25+z Résumé : Nous présentons les résultats d’une étude Monte Carlo d’un modèle simple bi-couche avec interaction géométriquement frustrée similaire à celle trouvée dans les oxides pnictides (Sr2Mn3Pn2O2, Pn = As, Sb). Notre modèle est composé de deux réseaux carrés inéquivalents avec interactions plus proche voisin intra-couche et entre les couches. Nous trouvons un fondamental composé de deux couches indépendantes ordonnées de type de Néel lorsque l’interaction entre les couches est un ordre de grandeur plus faible que l’interaction intra-couche, tel que suggéré par l’expérience. Ce résultat reste valable indépendamment du nombre de couches dans notre modèle. Il peut exister un ordre orthogonal entre les couches, mais ceci ne se produit que dans des régions de l’espace des paramètres qui ne sont pas expérimentalement réalisables. Nous en concluons que la frustration causée par l’interaction plus proche voisin dans ce type d’oxide à couches mixes n’est pas suffisante pour expliquer l’ordonnance orthogonale à longue portée observée et qu’il est probable que d’autres termes (par exemple d’anisotropie locale) doivent apparaître dans le Hamiltonien pour expliquer le comportement magnétique. [Traduit par la Rédaction] Received June 6, 2000.AcceptedAugust 8, 2001. Published on the NRC Research Press Web site on November 2, 2001. M. Enjalran.1 Department of Physics, University of California, Davis, CA 95616, U.S.A. and Materials Research Institute, Lawrence Livermore National Laboratory, University of California, Livermore, CA 94550, U.S.A. R.T. Scalettar. Department of Physics, University of California, Davis, CA 95616, U.S.A. S.M. Kauzlarich. Department of Chemistry, University of California, Davis, CA 95616, U.S.A. 1 Corresponding author : Department of Physics, University of Waterloo, 200 University Avenue, Waterloo, ON N2L 3G1, Canada. Can. J. Phys. 79: 1333–1338 (2001) DOI: 10.1139/cjp-79-11/12-1333 © 2001 NRC Canada 1334 Can. J. Phys. Vol. 79, 2001