[論文レビュー] Magnetic Ordering in the Frustrated Heisenberg Chain System Cupric Chloride, CuCl$_2$

Michael Banks, R. K. Kremer+7 more|ArXiv.org|Apr 19, 2009

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、中性CuCl₂における1次元のフラストレーテッドヘイゼンベルグスピン鎖系において、中性子回折とDFT計算を用いて、不整合なヘリカル磁気的基底状態を同定した。スピンスパイラル秩序（伝搬ベクトル (1, 0.2257, 0.5)）は、b軸に沿って、近接するスピン間の強磁性的および次近接スピン間の反強磁性的交換相互作用の競合によって生じる。この結果、CuCl₂は、明確に証明されたヘリカル秩序を有するハライド系で初めてであり、TN = 23.9 K未満で多フェロ磁性挙動を示す可能性がある。

ABSTRACT

We report a detailed examination the magnetic structure of anhydrous cupric chloride CuCl2 carried out by powder neutron diffraction, magnetic susceptibility and specific heat measurements on polycrystalline and single crystal samples as well as an evaluation of the spin exchange interactions by first principles density functional theory (DFT) calculations. Anhydrous CuCl2 shows one dimensional antiferromagnetic behavior and long range antiferromagnetic ordering below a Neel temperature of 23.9 K. Neutron powder and single crystal diffraction reveal that, below 23.9K, CuCl2 undergoes a phase transition into an incommensurate magnetic structure (propagation vector (1,0.2257,0.5) with a spin-spiral propagating along b and the moments confined in the bc crystallographic plane. Our DFT calculations show that the spin-spiral results from competing ferromagnetic nearest neighbor and antiferromagnetic next-nearest neighbor spin-exchange interaction along the spin chains. Implications for possible multiferroic behavior of CuCl2 are discussed.

研究の動機と目的

• 無水CuCl₂の磁気的構造に関する長年の曖昧さを解消すること、これは、代表的な1次元量子スピン系である。
• スピン交換相互作用の主な寄与を特定することで、CuCl₂における不整合な磁気秩序の起源を特定すること。
• 磁気的および電子的構造に基づいて、CuCl₂が多フェロ磁性挙動を示す可能性を評価すること。
• 低次元系における電子的構造計算と実験的磁気的性質との間の関係を確立すること。

提案手法

• 磁気的構造および伝搬ベクトルを決定するための粉末および単結晶中性子回折。
• 体積磁気的転移および短距離相関を調べるための磁化率および比熱測定。
• スピン交換相互作用の評価および相対的強度の検討のための第一原理密度汎関数理論（DFT）計算。
• スピンフロッブ転移および磁場誘起転移を調べるためのパルス磁場磁化測定。
• 単結晶および粉末の高精度比熱測定のための緩和およびNernst型断熱熱力学測定法の使用。
• 局所的磁気的異方性を調べるための、制御された試料方位を用いた電子スピン共鳴（EPR）分光法。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 23.9 K未満における無水CuCl₂の真の磁気的構造は何か？
• RQ2 近接スピン間（NN）および次近接スピン間（NNN）のスピン交換相互作用の相対的寄与は何か？
• RQ3 CuCl₂における強磁性的NNと反強磁性的NNNの競合が、理論で予測されたヘリカルスピンスパイラル基底状態を生じるか？
• RQ4 スピンスパイラル秩序およびスピン-格子結合のおかげで、CuCl₂が多フェロ磁性挙動を示す可能性はあるか？
• RQ5 スピン鎖間相互作用は、観測された磁気的短距離秩序および比熱異常をどのように影響するか？

主な発見

• 23.9 K未満におけるCuCl₂の磁気的構造は、伝搬ベクトル (1, 0.2257(6), 0.5) を持つ不整合なスピンスパイラルであり、ヘリカル基底状態の確認がされた。
• スピンスパイラルはb軸に沿って伝搬し、bc結晶学的平面内に閉じ込められている。これは、b軸に沿った磁場下での観測されたスピンフロッブ転移と整合的である。
• DFT計算により、スピンスパイラルの起源は、近接スピン間の強磁性的相互作用（約10 meV）と次近接スピン間の反強磁性的相互作用（約7 meV）の競合であることが明らかになった。
• 磁気的単位格子は核格子に対してほぼ4倍に拡大されており、隣接するスピン間のなす角度は約81°であり、これにより近接スピン間の交換エネルギーが低下している。
• CuCl₂における短距離磁気的寄与は、純粋なヘイゼンベルグ鎖モデルよりも、ディマースリンケット状態とトリプレット状態の励起モデル（J ≈ -117 K）とよりよく一致しており、強い電子相関効果が示唆される。
• スピン鎖間相互作用は、鎖内結合エネルギーの20–30%程度と推定され、磁化率の広い最大値および理論モデルとの整合性の向上を説明する要因である。