[論文レビュー] Hidden magnetism uncovered in charge ordered bilayer kagome material ScV_6Sn_6

Zurab Guguchia, D. J. Gawryluk+21 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2023

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 4

ひとこと要約

ミュオンスピン回析スペクトロスコピーを用いて、この研究では、長距離磁気秩序が見られないにもかかわらず、電荷秩序を持つ二層kagome格子材料ScV6Sn6に隠れた時間反転対称性破れ磁性が存在することを明らかにした。主な発見は、約80 Kの電荷秩序転移以下でミュオンスピン緩和率と内部磁場幅に顕著な増大が観測され、外部磁場を加えることでさらに増大することであり、これは電荷秩序に関連する本質的で体積的な電子的磁性を示している。

ABSTRACT

Charge ordered kagome lattices have been demonstrated to be intriguing platforms for studying the intertwining of topology, correlation, and magnetism. The recently discovered charge ordered kagome material ScV_6Sn_6 does not feature a magnetic groundstate or excitations, thus it is often regarded as a conventional paramagnet. Here, using advanced muon-spin rotation spectroscopy, we uncover an unexpected hidden magnetism of the charge order. We observe a striking enhancement of the internal field width sensed by the muon ensemble, which takes place within the charge ordered state. More remarkably, the muon spin relaxation rate below the charge ordering temperature is substantially enhanced by applying an external magnetic field. Taken together with the hidden magnetism found in AV_3Sb_5 (A = K, Rb, Cs) and FeGe kagome systems, our results suggest ubiqitous time-reversal symmetry-breaking in charge ordered kagome lattices.

研究の動機と目的

• ScV6Sn6に隠れた磁性が存在するかどうかを調査すること。ScV6Sn6は電荷秩序を示すが、長距離磁気秩序は持たない二層kagome材料である。
• ScV6Sn6の電荷秩序状態が、AV3Sb5化合物で観測されたのと同様に時間反転対称性破れの電子的秩序を有するかどうかを特定すること。
• 高感度ミュオンスピン緩和（µSR）技術を用いて、ScV6Sn6における電子的応答の微視的起源を解明すること。
• ScV6Sn6の磁気的応答をAV3Sb5（A = K, Rb, Cs）と比較し、隠れた磁性の性質における類似点と相違点を評価すること。
• kagome格子における電荷秩序、電子相関、および出現する磁性の相乗作用を実験的に裏付ける証拠を提供すること。

提案手法

• ゼロ場（ZF）および高場ミュオンスピン回析（µSR）スペクトロスコピーを用いて、ScV6Sn6単結晶における局所的磁場およびスピン緩和ダイナミクスを検出した。
• 温度依存のミュオンスピン緩和率（Γ）および内部磁場幅（Δ）を測定し、T* ≈ 80 Kにおける電荷秩序転移に関連する変化を特定した。
• 緩和率の磁場依存性を分析して、ガウス型とローレンツ型の緩和成分を区別し、主に静的またはゆっくりと揺らぐ内部磁場からの寄与を同定した。
• ラボラトリーX線回折および単結晶構造精査を用いて、kagome格子構造およびScV6Sn6の空間群P6/mmm（191）を確認した。
• AV3Sb5化合物（A = K, Rb, Cs）とのµSR応答を比較することで、電荷秩序kagome系における時間反転対称性破れの普遍性を評価した。
• µSRデータを熱容量および回折データと照合することで、電荷秩序転移の体積的性質と電子的応答との関係を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長距離磁気秩序が存在しないにもかかわらず、ScV6Sn6の電荷秩序状態が隠れた磁性を有するか？
• RQ2 T*未満で観測されたミュオンスピン緩和率の増大は、時間反転対称性破れの電子的秩序を示唆するか？
• RQ3 ScV6Sn6における緩和率の磁場依存性は、AV3Sb5化合物と比較して、特に磁場誘起増大の観点でどのように異なるか？
• RQ4 ScV6Sn6における緩和率の増大の原因は、局在スピンモーメントか、動的電子電流か？
• RQ5 ScV6Sn6で観測された磁性はAV3Sb5とどれほど類似または相違するか？また、kagome格子における普遍的メカニズムを示唆するか？

主な発見

• ScV6Sn6において、電荷秩序転移温度T* ≈ 80 K未満で、ミュオンスピン緩和率（Γ）が0.12 µs⁻¹増大した。これは内部磁場の存在を示している。
• ガウス型緩和成分（Δ）もT*未満で0.12 µs⁻¹増大し、電荷秩序状態に密な弱い電子的モーメントまたはフラクチュエーティングな局所磁場ネットワークが存在することを示唆している。
• 外部磁場（最大8 T）を印加することで、緩和率は0.23 µs⁻¹にまで増大し、KV3Sb5と比較して1.6倍の増大を示した。これは強い磁場誘起応答を示している。
• 緩和増大は少なくともサンプル体積の50％で観測され、ScV6Sn6における電子的応答の体積的性質を確認した。
• ScV6Sn6における磁場誘起緩和増大は、AV3Sb5化合物、特にKV3Sb5（8 Tで0.15 µs⁻¹増大）と比較して顕著に顕著であった。
• 結果から、ScV6Sn6の電荷秩序状態が、AV3Sb5と同様に時間反転対称性破れの電子的秩序を有しているが、CDWの性質の違いおよび軌道電流に関する理論的モデルの欠如により、微視的起源が異なる可能性があると示唆された。