[論文レビュー] Antiferromagnetic Spin Ice Correlations at (1/2,1/2,1/2) in the Ground State of the Pyrochlore Magnet Tb2Ti2O7

Katharina Fritsch, Kate A. Ross+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2012

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、70 mKでTb₂Ti₂O₇に短距離反強磁性スピンアイス相関が観測された。逆格子空間において(1/2,1/2,1/2)に散乱が中心をなし、約2つの格子定数単位にわたる2in, 2outのスピン配置を示している。この信号は、0.06–0.08 meVのギャップにより低エネルギーの非弾性散乱から分離されており、スピンの約12°のカントが<111>軸から生じる量子スピンアイス基底状態を支持している。

ABSTRACT

We present high-resolution single crystal time-of-flight neutron scattering measurements on the candidate quantum spin liquid pyrochlore Tb2Ti2O7 at low temperature and in a magnetic field. At ~70 mK and in zero field, Tb2Ti2O7 reveals diffuse magnetic elastic scattering at (1/2,1/2,1/2) positions in reciprocal space, consistent with short-range correlated regions based on a two-in, two-out spin ice configuration on a doubled conventional unit cell. This elastic scattering is separated from very low-energy magnetic inelastic scattering by an energy gap of ~0.06-0.08 meV. The elastic signal disappears under the application of small magnetic fields and upon elevating temperature. Pinch-point-like elastic diffuse scattering is observed near (1,1,1) and (0,0,2) in zero field at ~70 mK, in agreement with Fennell et al. (Ref. 1), supporting the quantum spin ice interpretation of Tb2Ti2O7.

研究の動機と目的

• 幾何的縮重が強いにもかかわらず、50 mKまで長距離磁気秩序を示さないペロブスカイト磁性体Tb₂Ti₂O₇の基底状態の性質を解明すること。
• 特に逆格子空間の(1/2,1/2,1/2)において、低温下に短距離反強磁性スピンアイス相関が存在するかを調査すること。
• 散乱の拡散的なエリスチック成分の起源と、磁場下での抑制挙動を、非弾性励起および結晶場効果と区別して特定すること。
• 発現的ゲージ構造に整合するピンチポイント的散乱とエネルギーギャップの同定を通じて、量子スピンアイスの可能性を検証すること。
• 2倍の格子定数を持つ単位胞上に128スピンモデルを構築し、観測された強度をフィッティングすることでスピンカント角を定量すること。

提案手法

• 70 mKにまで冷却した高分解能単結晶時間飛行型中性子散乱を、それぞれISISとNISTのDCSおよびLET装置で実施した。
• エネルギー移動E = -0.1 から 1.8 meV の範囲で弾性および非弾性散乱強度を測定し、検出器効率および空容器からのバックグラウンドを補正した。
• (1/2,1/2,1/2)に近い散乱パターンを解析し、特に(H,H,L)面および<0,0,L>および<H,H,H>方向に沿ってピンチポイントの特徴を特定した。
• 高対称性方向に最大4 Tの磁場を印加し、(1/2,1/2,1/2)および(0,0,2)での散乱をモニタリングすることで磁場依存性を調査した。
• データはDAVEおよびMantidを用いて低減処理され、強度マップおよびエネルギー依存散乱を抽出するためにHORACEソフトウェアパッケージが使用された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Tb₂Ti₂O₇は、超低温下で逆格子空間の(1/2,1/2,1/2)に短距離反強磁性スピンアイス秩序を示すか？
• RQ2 観測された(1/2,1/2,1/2)における弾性散乱は、非弾性励起から明確なエネルギーギャップで分離されており、これは基底状態に何を示唆するか？
• RQ3 小さな磁場（2–4 T）を高対称性方向に印加すると、(1/2,1/2,1/2)における弾性信号はどのように変化し、スピンアイス相関の安定性について何を明らかにするか？
• RQ4 (0,0,2)および(1,1,1)付近の拡散的散乱特徴は、量子スピンアイス系で予想されるピンチポイント行動と整合的か？
• RQ5 観測された弾性散乱は、スピンのカントが<111>軸から約12°である2in, 2outスピンアイスモデルで定量的に説明可能か？また、推定されるカント角は何か？

主な発見

• ゼロ磁場下で70 mKで(1/2,1/2,1/2)に拡散的弾性散乱が観測され、約2つのペロブスカイト格子定数にわたる短距離反強磁性スピンアイス相関が示された。
• この弾性散乱は、低エネルギー非弾性散乱から明確なエネルギーギャップ（~0.06–0.08 meV）で分離されており、ギャップを持つスピン液体または量子スピンアイス基底状態と整合的である。
• (1/2,1/1/2)信号は、高対称性方向に2–4 Tの小さな磁場を印加すると消失し、スピンアイスの degeneracy が磁場によって引き破られる感度を示している。
• (0,0,2)および(1,1,1)付近にピンチポイントに類似した拡散的弾性散乱が観測され、クーロン的スピンアイス相関の特徴を示し、量子スピンアイス解釈を支持している。
• 2倍の格子定数を持つ単位胞上に128スピンモデルを用いたシミュレーションが、観測されたピーク強度に適合し、2in, 2out配置におけるスピンカント角が<111>軸から約12°であると推定された。
• 0.8–2.0 meVの高エネルギー非弾性散乱は、Tb³⁺イオン状態の既存の研究と整合し、結晶場励起が支配的であることが示された。