[論文レビュー] Anti-chiral order and spin reorientation transitions of triangle-based antiferromagnets

Leon Balents|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 20被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、反キラリティ秩序を示す三角格子反強磁性体において、外部磁場に応じたスピン再配列転移が発生することを提案している。低磁場域ではスピンが面内磁場と反対方向に回転するが、臨界スケール H∗ を超えると磁場と同期して回転する。この転移は、イジング臨界点に終着する一次転移線を含み、主な予測は Mn3Sn における角度依存磁化およびトルク測定で確認された。

ABSTRACT

We show that triangle-based antiferromagnets with "anti-chiral" order display a non-trivial dependence of the spin orientation with an in-plane field. The spins evolve from rotating in the opposite sense to the field at very low fields to rotating in the same sense as the field above some critical field scale. In the latter regime the system displays first order transitions at which the spin angles jump, and these first order lines terminate in critical points in the Ising universality class. Application to Mn$_3$Sn is discussed.

研究の動機と目的

• 反キラリティ秩序を示す三角格子反強磁性体における磁場依存スピン再配列の理解を図ること。
• スピン回転の異なる領域を分ける低エネルギースケール H∗ の出現を特定すること。
• 面内磁場下におけるスピン配置の一次転移およびイジング臨界点の起源を説明すること。
• 理論的予測を Mn3Sn における実験的観測（特にトルクおよび磁化の角度依存性）と結びつけること。
• ヘイゼンベルグ相互作用、ジアロシングスキー＝モリスキー（DM）相互作用、および単一イオン異方性（SIA）を組み込んだ、対称性に基づく有効場理論フレームワークを確立すること。

提案手法

• J ≫ D ≫ K のエネルギー階層と対称性に基づく有効自由エネルギーを構築し、スピン配置を記述する複素数の秩序パラメータ d を用いる。
• ランダウ理論を適用し、スピンの角度を変数とする自由エネルギー関数を導出。DM結合およびSIAを摂動項として組み込む。
• スピン状態が平面に配置されていることを表すために、|u|² = |v|² および u·v = 0 を満たす秩序パラメータ d = u + iv を用いる。
• 平均場解析から、一次転移を予測する臨界磁場 Hc = (J + √3D)/(gμB) × √(K/D) を導出する。
• エネルギー最小化を用いてトルク τ = df/dθ を解析し、一次転移線を越えて不連続性を示すことを示す。
• 面内磁場の角度に応じた相図をマッピングし、θ = π/6 + nπ/3 にイジング臨界点が存在することを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反キラリティ秩序を示す三角格子反強磁性体において、面内磁場に応じてスピン配向はどのように変化するか？
• RQ2 スピンが磁場と反対方向に回転する領域と、同期して回転する領域を分ける臨界磁場スケール H∗ は、何によって決定されるか？
• RQ3 スピン配置における一次転移がなぜ発生するのか。その終着点の性質は何か？
• RQ4 Mn3Sn におけるトルクおよび磁化の観測された角度依存性は、このモデルでどのように説明できるか？
• RQ5 対称性（特に SO(3)、S3、およびイジング対称性）は、相図および臨界挙動をどのように組織化しているか？

主な発見

• H < H∗ の領域ではスピンが磁場と反対方向に回転し、φn = φ(0)n − θ となる。H > H∗ の領域ではスピンが磁場と同期して回転し、φn = φ(0)n + θ となる。
• これらの領域間で一次転移が発生し、スピン角度に不連続なジャンプが生じ、イジング臨界点に終着する。
• 臨界磁場は Hc = (J + √3D)/(gμB) × √(K/D) として予測され、Mn3Sn では D = 0.2J、K = 0.006J、J = 20 meV、g = 3 の条件下で Hc ≈ 20 T となる。
• トルク τ = 2uh sin(φ(θ) + θ) は一次転移線を越えて不連続であり、θ = nπ/3 で消える。
• イジング転移の臨界指数は、Hc の近くで ψ ∼ |ω|1/3 と表され、平均場理論と整合的であり、3次元イジング普遍性クラスではδ ≈ 4.8 に再正規化される見込まれる。
• 一次転移線付近における特異的角依存磁気抵抗およびヒステリシスといった実験的シグネチャが予測され、CeAlGe と類似の性質を示し、Mn3Sn で検出可能である。