[論文レビュー] Inelastic neutron scattering studies of YFeO$_3$

Steven Hahn, A. Podlesnyak+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2013

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、弱い強磁性および隠れた反強磁性秩序を考慮した完全な4サブラティスモデルを用いて、YFeO3におけるスピン波を非弾性中性子散乱で調査した。解析により、交換結合定数が高精度に得られた：最近接原子間のみを考慮すると J₁ = -4.23 ± 0.08 meV、次近接原子間を含めると J₁ = -4.77 ± 0.08 meV および J₂ = -0.21 ± 0.04 meV であり、低エネルギーブランチおよび高エネルギーブランチの両方で理論モデルと実験結果が良好に一致しており、隠れた反強磁性秩序に起因するとされるブランチの観測が確認された。

ABSTRACT

Spin waves in the the rare earth orthorferrite YFeO$_3$ have been studied by inelastic neutron scattering and analyzed with a full four-sublattice model including contributions from both the weak ferromagnetic and hidden antiferromagnetic orders. Antiferromagnetic (AFM) exchange interactions of $J_1 = -4.23 \pm 0.08$ (nearest-neighbors only) or $J_1 = -4.77 \pm 0.08$ meV and $J_2 = -0.21 \pm 0.04$ meV lead to excellent fits for most branches at both low and high energies. An additional branch associated with the hidden antiferromagnetic order was observed. This work paves the way for studies of other materials in this class containing spin reorientation transitions and magnetic rare earth ions.

研究の動機と目的

• YFeO3の磁気励起スペクトルを理解すること。YFeO3はスピン再配列転移を示さないモデル系であり、Fe3+スピン動態のクリアな研究が可能である。
• 非弾性中性子散乱を用いて、Fe3+サブラティス内の交換相互作用パラメータ（J₁, J₂）を特定すること。
• スピン波スペクトルにおける弱い強磁性および隠れた反強磁性秩序の寄与を同定・特徴づけること。
• 対称および非対称（Dzyaloshinsky-Moriya）交換相互作用を含む完全な4サブラティスモデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• 低エネルギーおよび高エネルギー領域のスピン波分散を調査するために、多結晶YFeO3を用いて2つのエネルギースケールで非弾性中性子散乱を実施した。
• 最近接原子間（J₁）および次近接原子間（J₂）の反強磁性交換相互作用を組み込んだ4サブラティスモデルを適用した。
• 磁気単位格子の対称性解析に基づき、c軸に沿った弱い強磁性およびb軸に沿った隠れた反強磁性秩序の寄与をモデルに組み込んだ。
• 理論的強度計算に、磁気形因子および機器の分解能をガウス型分解能関数（McStasモンテカルロシミュレーションから導出）を用いて畳み込み処理した。
• 2次元ガウスモデルを用いて、運動量空間におけるKおよびL方向のカットに最適化されたパラメータで分解能関数を実験データにフィットした。
• 理論的強度を運動量空間にわたってビニングおよび統合し、実験データの低減手順と一致させ、直接的な理論と実験の比較を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YFeO3における最近接および次近接原子間の交換結合定数（J₁およびJ₂）の正確な値は何か？
• RQ2 弱い強磁性および隠れた反強磁性秩序を含む4サブラティスモデルは、観測されたスピン波分散をどれほどよく再現するか？
• RQ3 YFeO3に、隠れた反強磁性秩序に起因する明確なスピン波ブランチが実験的に確認できるか？
• RQ4 磁気形因子および機器分解能を考慮した場合、測定されたスピン波強度は理論予測とどの程度一致するか？
• RQ5 モデルは、低エネルギーおよび高エネルギーの両ブランチのスピン波スペクトルを正確に再現できるか？

主な発見

• 最良のフィット結果として、最近接原子間のみを考慮すると J₁ = -4.23 ± 0.08 meV、次近接原子間を含めると J₁ = -4.77 ± 0.08 meV および J₂ = -0.21 ± 0.04 meV が得られた。
• 弱い強磁性および隠れた反強磁性秩序の両方を含む4サブラティスモデルは、測定されたエネルギーおよび運動量範囲全域で実験的スピン波分散と良好に一致した。
• b軸に沿った隠れた反強磁性秩序に起因するとされる追加のスピン波ブランチが観測され、その存在がスピン励起スペクトルに確認された。
• 磁気形因子および機器分解能は、ガウス畳み込みを用いて成功裏にモデル化され、理論と実験の正確な比較が可能になった。
• モデルは、低エネルギーおよび高エネルギーの両方のスピン波モードの強度分布および分散を正確に捉えた。
• 本研究により、特に複雑な磁気転移を示す材料において、YFeO3がスピンダイナミクスを理解するためのベンチマーク系としての役割を果たすことが確立された。