[論文レビュー] Anomalous Hall effect from frustration-tuned scalar chirality distribution in Pr2Ir2O7

Masafumi Udagawa, Roderich Moessner|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2012

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、強いスピン軌道結合と幾何的縮重を示すペロブスカイト型イリジエートであるPr₂Ir₂O₇における異常ホール効果（AHE）が、局在的Pr³⁺スピンにおける縮重調整型スカラーキラリティに起因することを提案する。ピロチン骨格上でのKondo格子模型を用いて、H∥[111]方向におけるホール伝導度の実験的ピーク（H ≈ 0.7 T）が、スピンアイスからカグラムアイス秩序への磁場誘起転移に起因することを示している。多軌道タイトビンディング模型と体系的散乱を組み合わせることで定量的整合性が達成された。

ABSTRACT

We analyse the Ising Kondo lattice model on a pyrochlore structure in order to study the anomalous Hall effect due to non-coplanar magnetism. We focus on the frustration-induced spatial inhomogeneity of different magnetic low-temperature regimes, between which one can efficiently tune using an external magnetic field. We incorporate non-magnetic scattering on a phenomenological level so that we can distinguish between the effects of short-range correlations and short-range coherence. We obtain a Hall conductivity (σ_H) as function of field strength and direction which compares well to the experimental data of Pr2Ir2O7. In particular, we show that the observed peak in σ_H for H||[111] signals the crossover from zero-field spin ice to Kagome ice.

研究の動機と目的

• 強いスピン軌道結合と幾何的縮重を示すペロブスカイト型イリジエートPr₂Ir₂O₇における異常ホール効果（AHE）の起源を理解すること。
• 空間的に不均一で、縮重によって誘発されるスピン配置（特にスピンアイスおよびカグラムアイス）が、非単調的かつ異方的AHE応答をどのように駆動するかを調査すること。
• 多軌道Kondo格子模型に軌道デゲネラシーと体系的非磁性散乱を組み込むことで、実験的ホール伝導度と定量的整合性を達成すること。
• スカラーキラリティ分布が、H∥[111]方向におけるσ_Hの観測ピーク（H ≈ 0.7 T）を生成する役割を明確にすること。

提案手法

• 局在的スピンがPr子格子に、拡散電子がIr子格子に配置されたピロチン格子上でのイジンKondo格子模型を定式化する。
• カグラムアイス則（各三角形におけるη_iの和が1）を課すことにより、一様なスカラーキラリティK₀ = -4/(3√3)を有するマクロなデゲネレートスピン液体的状態を生成する。
• Ir 5d電子の三重縮退t₂g軌道を用いた多軌道タイトビンディング模型を用い、スラッター＝コスターの遷移積分を組み込んで、現実的なバンド構造をモデル化する。
• 非磁性不純物の影響を反映させるため、体系的散乱率1/τを導入し、電子の自己エネルギーに減衰を組み込む。
• マツバラグリーン関数から導出された実空間形式を用いてホール伝導度σ_xyを計算し、σ_xyをスピン三重項の和として表す：σ_xy = Σ(h_i₁·(h_i₂×h_i₃)) W_xy(i₁,i₂,i₃)。
• 電子構造とスピンテクスチャ効果を組み込んだ、マツバラ周波数および運動量空間における数値的総和により、重み関数W_xyを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pr₂Ir₂O₇における異常ホール効果の微視的起源は何か。特に、σ_Hの非単調的かつ異方的場依存性の背後にあるメカニズムは何か。
• RQ2 幾何的縮重によって生じるスピン相関の空間的不均一性が、ホール応答にどのように現れるか。
• RQ3 なぜH∥[111]方向においてσ_HはH ≈ 0.7 Tで顕著なピークを示すのか。この特徴を裏付ける相転移または転移過程は何か。
• RQ4 現実的なバンド構造と散乱を有するKondo格子模型を用いて、観測されたホール伝導度の大きさと場依存性をどの程度定量的に再現できるか。

主な発見

• H∥[111]方向におけるホール伝導度のピーク（H ≈ 0.7 T）は、ゼロ場下のスピンアイス状態から磁場誘起カグラムアイス状態への転移に起因する。この状態では、カグラム面に配置されたスピンが磁場に沿って整列しながらも、アイス則を維持する。
• H∥[100]方向における高場域（H ≳ 4 T）の実験的プラトー（σ_H ≈ 30 Ω⁻¹ cm⁻¹）が、モデルによって再現され、実験と良好な定量的整合性を示した。
• H∥[111]方向では、モデルがH ≈ 1.0 Tにピークを予測し、H ≈ 8 Tで符号反転を示すが、これは実験的観測（0.7 T付近のピークと6 T付近の符号反転）と整合的である。
• t₂gバンドにおける三重軌道デゲネラシーを組み込むことで、横方向散乱チャネルが増加し、σ_Hが増幅され、実験的大きさと定量的整合性が達成された。
• 縦方抵抗率ρ ≈ 8.0×10² Ω⁻¹ cm⁻¹は、実験値（約2.8×10³ Ω⁻¹ cm⁻¹）と同数量級であり、モデルの輸送パラメータの妥当性を裏付けた。
• アイス則を満たすすべてのスピン配置においてスカラーキラリティが一様に保たれることから、AHEは局所的フラクチュエーションではなく、長距離スピンテクスチャに起因することが確認された。