[論文レビュー] Field-induced magnetic reorientation and effective anisotropy of a ferromagnetic monolayer within spin wave theory

P. Fröbrich, P. J. Jensen+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 1999

Magnetic properties of thin films参考文献 3被引用数 51

ひとこと要約

本稿では、2次元フェリ磁性単層における外部磁場誘発磁気的再配列および効果的異方性を計算するため、スピン波理論に基づく多体グリーン関数法を開発する。ヘイゼンベルグハミルトニアンに一軸単一イオン異方性および外部磁場を加え、ティアブリコフ（RPA）およびアンドリュース・コールンの分解法を適用することで、磁化の配向および効果的異方性の温度および磁場依存性を導出する。平均場理論とは著しく異なる結果が得られ、特に低温および強い磁場領域で顕著な差が生じる。

ABSTRACT

The reorientation of the magnetization of a ferromagnetic monolayer is calculated with the help of many-body Green's function theory. This allows, in contrast to other spin wave theories, a satisfactory calculation of magnetic properties over the entire temperature range of interest since interactions between spin waves are taken into account. A Heisenberg Hamiltonian plus a second-order uniaxial single-ion anisotropy and an external magnetic field is treated by the Tyablikov (Random Phase Approximation: RPA) decoupling of the exchange interaction term and the Anderson-Callen decoupling of the anisotropy term. The orientation of the magnetization is determined by the spin components $\la S^α a$ ($α=x,y,z$), which are calculated with the help of the spectral theorem. The knowledge of the orientation angle $Θ_0$ allows a non-perturbative determination of the temperature dependence of the effective second-order anisotropy coefficient. Results for the Green's function theory are compared with those obtained with mean-field theory (MFT). We find significant differences between these approaches.

研究の動機と目的

• 平均場理論が許容する範囲を超えて、2次元フェリ磁性単層における磁気的再配列および効果的異方性のより正確な理論的記述を提供すること。
• 特に線形スピン波近似を超えて、長距離磁気的フラクチュエーションおよびスピン波相互作用を多体グリーン関数技術を用いて取り扱うこと。
• 非摂動的に、磁化の方向および効果的異方性係数の温度および外部磁場依存性を決定すること。
• RPAおよびアンドリュース・コールンの分解スキームの結果を平均場理論と比較し、2次元系におけるMFTの限界を強調すること。
• 低次元スピン系における非自明な多体効果を含む、キュリー温度および磁化成分を計算するためのフレームワークを確立すること。

提案手法

• 交換相互作用、2次異方性、外部磁場へのゼーマン結合を含むヘイゼンベルグハミルトニアンを用いる。
• グリーン関数形式において、交換相互作用項に対してティアブリコフ（ランダム位相近似）分解を適用し、スピン波相互作用を扱う。
• 高次相関関数の取り扱いを改善するため、異方性項に対してアンドリュース・コールン分解を用いる。
• スピン成分 ⟨Sᶻ⟩, ⟨Sˣ⟩, ⟨Sʸ⟩ の期待値を計算するために、スペクトル定理を用いる。これらは磁化の配向 Θ₀ を決定する。
• 磁化の配向の温度依存性から、非摂動的に効果的2次異方性係数を抽出する。
• グリーン関数形式から導かれる自己無撞着な積分方程式を用いてキュリー温度を計算し、低波数領域の解析的近似（式53）を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限温度における外部磁場の影響を受ける2次元フェリ磁性単層の磁化の配向は、どのように再配列するか？
• RQ2 2次元フェリ磁性単層における効果的2次異方性係数の温度依存性は何か？平均場理論の予測とはどのように異なるか？
• RQ3 平均場理論が無視する長距離スピン波フラクチュエーションは、低次元系における磁気的再配列行動にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 強い磁場および異方性の下で、RPAおよびアンドリュース・コールンの分解スキームは、磁化および異方性をどのように記述するか？
• RQ5 系の臨界温度は何か？非線形スピン波効果を含む自己無撞着グリーン関数法を用いることで、その推定値はどの程度の精度で得られるか？

主な発見

• RPAに基づくグリーン関数法は、特に低温および強い磁場領域で、平均場理論よりも著しく改善された磁化の記述を可能にする。
• RPAにおける効果的2次異方性係数の温度依存性は、MFTとは著しく異なり、前者ではスピンサイズ依存性がはるかに弱い。
• キュリー温度は、ブリユアンゾーン上の2次元積分を自己無撞着に計算し、式(53)の対数近似により、完全な結果の10%以内の速やかな推定が可能である。
• 磁化成分 ⟨Sᶻ⟩ および ⟨SᶻSᶻ⟩ は、異方性係数 K₂(0)/J に対して強く敏感であるが、分解スキームの選択には相対的に不感である。
• 平均場理論は、長距離フラクチュエーションを無視しているため、2次元系における磁気的性質の正しい磁場および温度依存性を捉えられていないことが示唆される。
• 磁化の配向から非摂動的に効果的異方性係数を決定することで、有限磁場条件下で測定された実験データとの一貫性ある比較が可能になる。