[論文レビュー] Fractional spin excitations in the infinite-layer cuprate CaCuO$_2$

Leonardo Martinelli, Davide Betto+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、共鳴非弾性X線散乱（RIXS）を用いて、無限層型銅酸化物CaCuO₂における分数スピン励起状態—スピンオンペア—の実験的証明を提供している。結果は、(1/2, 0)点近くにスピン1/2励起の広帯域連続体が存在し、磁気スペクトル重量の約80%が集中しており、ΔS = 1の性質が強く支配的であり、大きなリング交換結合Jc ≈ J₁と関連している。これは、強い多部位相互作用に起因する量子磁性の増幅を示している。

ABSTRACT

We use resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) to investigate the magnetic dynamics of the infinite-layer cuprate CaCuO2. We find that close to the (1/2,0) point the single magnon decays into a broad continuum of excitations accounting for 80% of the total magnetic spectral weight. Polarization resolved RIXS spectra reveal the overwhelming dominance of spin-flip ($ΔS = 1$) characterof this continuum with respect to the $ΔS= 0$ multimagnon contributions. Moreover, its incident energy dependence is identical to that of the magnon, supporting a common physical origin. We propose that the continuum originates from the decay of the magnon into spinon pairs, and we relate it to the exceptionally high ring exchange $J_\mathrm{c} \sim J_1$ of CaCuO2. In the infinite layer cuprates long-range and multi-site hopping integrals are pivotal and amplify the 2D quantum magnetism effects in spite the 3D antiferromagnetic Néel order.

研究の動機と目的

• 従来のスピン波理論を越えて、無限層型銅酸化物CaCuO₂の磁気励起スペクトルを調査すること。
• CaCuO₂の(1/2, 0)点における異常なスペクトル重量が、分数化スピン励起状態に起因するのか、それともマルチマグノン過程に起因するのかを特定すること。
• リング交換および多部位スピン交換が2次元正方格子反強磁性体における量子揺らぎの増幅に果たす役割を明確にすること。
• 観測された連続体とスピンオンペア励起状態との直接的な関連を、強い量子磁気効果を示す層状銅酸化物において確立すること。

提案手法

• 共鳴非弾性X線散乱（RIXS）は、ESRFのビームラインID32およびERIXS分光計を用いて実施された。
• 偏光分解RIXS測定を用いて、ΔS = 1（スピン反転）とΔS = 0（マルチマグノン）励起状態を区別した。
• 入射エネルギー依存性を有するRIXSスペクトルを分析し、マグノンと連続体との間で共通の起源を確認した。
• 全磁気励起スペクトルをマップするため、入射角が浅い（グラジングイン）および深い（グラジングアウト）幾何配置で、運動量分解RIXSデータを収集した。
• リング交換（Jc）を含む拡張ハーブルモデルに基づく理論的モデリングを用いて、スペクトル特徴を解釈した。
• (1/2, 0) および (1/4, 1/4) 点におけるマグノンエネルギーの分散を定量的分析し、Jc/J₁ ≈ 1 を抽出した。

Figure 1: (a) Scheme of CuO 2 planes, with Oxygen atoms depicted in red and Copper atoms in blue. Coloured lines highlight the magnetic coupling of the Hubbard-like Hamiltonian as explained in the text. (b) Sketch of CaCuO 2 crystal structure and experimental geometry used in the RIXS experiments, a

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CaCuO₂の(1/2, 0)点における異常なスペクトル重量は、分数化スピンオンペアに起因するのか、それともマルチマグノン過程に起因するのか？
• RQ2 リング交換結合Jcは、無限層型銅酸化物における励起連続体の増幅にどのような役割を果たすのか？
• RQ3 RIXSスペクトルの偏光依存性は、スピン反転（ΔS = 1）と非スピン反転（ΔS = 0）励起状態をどのように区別できるか？
• RQ4 連続体の入射エネルギー依存性はマグノンと同一であるか？これは共通の物理的起源を示唆するか？
• RQ5 CaCuO₂における大きなJc/J₁比は、他の銅酸化物と比較して強化された分数化をどのように説明できるか？

主な発見

• (1/2, 0)点付近では、全磁気スペクトル重量の約80%が広帯域連続体に分配されており、これは単一マグノン挙動からの顕著な逸脱を示している。
• 偏光分解RIXSにより、連続体は圧倒的にΔS = 1（スピン反転）の性質が支配的であり、局所的バイマグノン寄与を除外している。
• 連続体の入射エネルギー依存性はマグノンと一致しており、共通の起源と直接RIXS過程を支持する。
• リング交換結合Jcは、最近接相互作用J₁とほぼ等しい（Jc ≈ J₁）ことが判明し、既知の銅酸化物の中で最大である。
• 増幅された連続体と抑制されたマルチマグノン特徴は、特に大きなJcに起因する強力な多スピン結合に起因し、部分的なスピンオンの脱コンfinementを促進している。
• 本結果は、層状2次元銅酸化物における分数スピン励起状態の最初の直接的実験的証明を提供し、量子磁性体におけるスピンオンペア形成の理論的予測を支持している。

Figure 2: (a) RIXS scans at different momenta, acquired in grazing-out geometry and $\pi$ polarization. (b) Evolution of RIXS spectra along the $\Sigma\rightarrow X$ line. Scans have been normalized to spin-flip cross section. (c) Measured dispersion of the magnon peak along the high-symmetry lines