Compared with the intensive investigation on 3d transition metal (TM)-based spin ladder compounds, less attention has been paid to the ones constructed by rare earth (RE) ions. Herein, we report a family of RE-based spin ladder compounds Ba₂RE₂Ge₄O₁₃ (RE = Pr, Nd, Gd–Ho) crystallized into a monoclinic structure with the space group C2/c. The RE ions are arranged on a two-leg spin ladder motif along the b-axis, where the rung and leg exchange interactions are bridged via RE–O–RE pathways and RE–O–Ge–O–RE routes, respectively. Moreover, the much shorter rung distance in RE₂O₁₂ dimer units than the leg distance suggests that Ba₂RE₂Ge₄O₁₃ compounds are strong-rung spin ladder systems. All of the synthesized Ba₂RE₂Ge₄O₁₃ (RE = Pr, Nd, Gd–Ho) compounds exhibit dominant antiferromagnetic (AFM) interactions and the absence of magnetic order down to 1.8 K. Among the family members, Ba₂Dy₂Ge₄O₁₃ can be described by J_eff = 1/2 Kramers doublet states, and the low-temperature specific heat indicates the coexistence of the spin-dimerized state with a broad maximum at ∼2.4 K and long-range AFM order with T_N = 0.81 K. This family of Ba₂RE₂Ge₄O₁₃ compounds thereby provides a rare platform to investigate the novel spin ladder physics constructed by 4f electrons.

中文翻译：

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双腿自旋梯形化合物 Ba2RE2Ge4O13 家族的结构和磁学性质 （RE = Pr、Nd 和 Gd-Ho）


与对基于 3d 过渡金属 （TM） 的自旋梯形化合物的深入研究相比，由稀土 （RE） 离子构建的化合物受到的关注较少。在此，我们报道了一族基于 RE 的自旋梯化合物 Ba₂RE₂Ge₄O₁₃ （RE = Pr， Nd， Gd–Ho） 结晶成空间群为 C2/c 的单斜晶结构。RE 离子沿 b 轴排列在双腿自旋梯基序上，其中梯级和腿交换相互作用分别通过 RE-O-RE 通路和 RE-O-Ge-O-RE 路线桥接。此外，RE₂O₁₂ 二聚体单位的梯级距离比边距短得多，这表明 Ba₂RE₂Ge₄O₁₃ 化合物是强梯级自旋梯系统。所有合成的 Ba₂RE₂Ge₄O₁₃ （RE = Pr， Nd， Gd-Ho） 化合物都表现出主要的反铁磁 （AFM） 相互作用，并且低至 1.8 K 时不存在磁有序。在家族成员中，Ba₂Dy₂Ge₄O₁₃ 可以用 J_eff = 1/2 Kramers 双峰态来描述，低温比热表明自旋二聚化态在 ∼2.4 K 时具有广泛的最大值，而长程 AFM 级数为 T_N = 0.81 K。因此，这个 Ba₂RE₂Ge₄O₁₃ 化合物家族为研究由 4f 电子构建的新型自旋梯物理学提供了一个罕见的平台。