[論文レビュー] Ferrimagnetism and anisotropic phase tunability by magnetic fields in Na$_2$Co$_2$TeO$_6$

Weiliang Yao, Yuan Li|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2019

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、高品質な Na₂Co₂TeO₆ 単結晶における磁気的秩序と磁場誘発相転移を調査し、27 K 未満で特徴的な反強磁性の挙動を示し、磁場に対して強い異方性応答を示すことを明らかにした。面内磁場はザイツァップ反強磁性転移を抑制し、スピンの傾きを部分的に逆転させるが、面外磁場は10 K未満で新たな転移を誘発し、競合する磁気相に近接しており、Kitaev 量子スピン液体に近いチューナブルな磁気的基底状態であることを示唆している。

ABSTRACT

Na$_2$Co$_2$TeO$_6$ has recently been proposed to be a Kitaev-like honeycomb magnet. To assess how close it is to realizing Kitaev quantum spin liquids, we have measured magnetization and specific heat on high-quality single crystals in magnetic fields applied along high-symmetry directions. Small training fields reveal a weak but canonical ferrimagnetic behavior below 27 K, which cannot be explained by the zigzag antiferromagnetic order alone and suggests coexisting Néel-type order of moments canted away from the zigzag chains. Moderate fields in the honeycomb plane suppress the thermal transition at 27 K, and seem to partly reverse the moment-canting when applied perpendicular to the zigzag chains. In contrast, out-of-plane fields leave the transition largely unaffected, but promotes another transition below 10 K, possibly also related to canting reversal. The magnetism in Na$_2$Co$_2$TeO$_6$ is highly anisotropic and close to tipping points between competing phases.

研究の動機と目的

• Na₂Co₂TeO₆ の磁気的基底状態を評価し、Kitaev 量子スピン液体の挙動を示すかどうかを特定すること。
• 磁場の方向が磁気的秩序および相転移をどのようにチューニングするかを調査すること。
• 観察された反強磁性成分の性質と、そのズイツァップ反強磁性相における起源を解明すること。
• この d⁷ 系における Kitaev 的な相互作用、ヘイゼンベルグ的交換相互作用およびスピン軌道結合の相乗的役割を調査すること。
• 磁場誘発相転移とその異方性を特定し、将来的に Kitaev 量子スピン液体へのチューニングを支援すること。

提案手法

• 高品質な Na₂Co₂TeO₆ 単結晶を成長させ、X線回折およびエネルギー分散型X線スペクトロスコピーを用いて特性評価した。
• 高対称性方向（c軸および面内 a*-方向）に沿った磁場を印加した状態で、磁化および比熱測定を実施した。
• 磁場に依存しない磁化率と反強磁性寄与を区別するために、フィールドクーリングおよびゼロフィールドクーリングプロトコルを用いた。
• 高温域の磁化データにCurie-Weiss解析を適用し、有効磁気モーメントおよびウィース温度を抽出した。
• 異なる磁場方向における磁化等温線および転移異常の比較を通じて、異方性磁場応答を分析した。
• データは、磁場線形磁化率成分と磁場に依存しない反強磁性成分の和としてモデル化された：M(T) = M_ferrimagnetic(T) + χ_c(T)·H。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Na₂Co₂TeO₆ は特徴的な反強磁性挙動を示すか。その起源はズイツァップ反強磁性秩序の文脈でどのように解釈できるか？
• RQ2 異なる結晶学的方向に沿った磁場の印加が、27 K の磁気的転移にどのように影響するか？
• RQ3 横磁場はズイツァップ相におけるスピンの傾きの向きを逆転させることができるか。この結果は磁気的異方性にどのような含意を持つか？
• RQ4 面外磁場下で10 K未満に観察された低温転移の性質は何か？
• RQ5 この系は量子相転移に近いか。その近接性は、Kitaev 量子スピン液体候補としての可能性にどのように寄与するか？

主な発見

• 27 K 未満で特徴的な反強磁性成分が観測され、これはズイツァップ反強磁性秩序に加え、スピンがズイツァップ鎖から離れて傾いている、内在的な混合状態を示している。
• 面内磁場は27 K の熱的転移を抑制し、ズイツァップ鎖に垂直に印加された場合、スピンの傾きの向きを部分的に逆転させる。
• 面外磁場は27 K の転移にほとんど影響しないが、10 K 未満で新たな相転移を誘発し、特徴的な磁気的状態への磁場チューニング転移であることを示唆している。
• c軸に沿った磁化は低磁場領域で負の切片を示し、磁場に依存しない反強磁性寄与が確認され、磁場依存性は無視できるほど小さい。
• a*-軸に沿った有効磁気モーメントは µ_eff,a* = 5.69 µB、c軸に沿った有効磁気モーメントは µ_eff,c = 5.31 µB であり、対応するウィース温度は Θ_a* = 12.5 K および Θ_c = -93.8 K である。
• この系は強い磁気的異方性を示し、磁場誘発相転移およびスピンの傾き逆転は、競合する磁気相に近接しており、チューナブルな基底状態であることを示している。