[論文レビュー] Magnetic transition, long-range order, and moment fluctuations in the pyrochlore iridate Eu2Ir2O7

Songrui Zhao. J. M. Mackie, D. E. MacLaughlin+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2011

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 8

ひとこと要約

Eu2Ir2O7におけるミュオンスピン回転・緩和（μSR）実験により、T_M = 120 K未満で長距離相性反磁性秩序が確認され、量子スピン液体およびスピンガス状態の可能性が排除された。2 Kまで持続する動的ミュオンスピン緩和率λ_dは、異常に遅いスピン揺らぎを示しており、幾何的縮重とは無関係に、小さなギャップを持つ絶縁状態に関連する低エネルギー準位の特異的密度の存在を示唆している。

ABSTRACT

Muon spin rotation and relaxation experiments in the pyrochlore iridate Eu2Ir2O7 yield a well-defined muon spin precession frequency below the metal-insulator/antiferromagnetic transition temperature TM = 120 K, indicative of long-range commensurate magnetic order and thus ruling out quantum spin liquid and spin-glass-like ground states. The dynamic muon spin relaxation rate is temperature-independent between 2 K and ~TM and yields an anomalously long Ir^{4+} spin correlation time, suggesting a singular density of low-lying spin excitations. Similar behavior is found in other pyrochlores and geometrically frustrated systems, but also in the unfrustrated iridate BaIrO3. Eu2Ir2O7 may be only weakly frustrated; if so, the singularity might be associated with the small-gap insulating state rather than frustration.

研究の動機と目的

• ペロブスカイト型イリジドEu2Ir2O7の基底状態の性質を特定すること、特に量子スピン液体またはスピンガス状態を示すかどうかを明らかにすること。
• 金属-絶縁体／反強磁性転移温度T_M = 120 K未満における磁気揺らぎのダイナミクスを調査すること。
• 異常なスピンダイナミクスを引き起こす要因として、幾何的縮重と電子相関のどちらが支配的であるかを評価すること。
• 持続的な低温スピン緩和が、縮重によるものか、それとも小さなギャップを持つ絶縁状態の固有の電子的性質によるものかを検討すること。

提案手法

• 2–200 Kの温度範囲で多結晶Eu2Ir2O7試料を用いて、時間微分ミュオンスピン回転・緩和（μSR）実験を実施した。
• パラ磁性相におけるミュオンスピンと核スピンのダイポール場の分離を図るため、弱い縦磁場（25 Oe）を印加した。
• 初期時間における非対称性データA(t)を、2成分関数でフィッティングし、ミュオンの歳差周波数と動的緩和率λ_dを抽出した。
• λ_dの温度依存性を解析することで、スピン揺らぎダイナミクスを調査し、臨界遅れや特異的挙動を特定した。
• 他の縮重・非縮重イリジド（例：BaIrO3）と比較することで、持続的緩和の起源を特定した。
• dc磁化率および抵抗率データを用いて、T_M転移および小ギャップエネルギーΔ_g ≈ 10 meVの裏付けをとった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Eu2Ir2O7は長距離磁気秩序を示すのか、それとも量子スピン液体またはスピンガス基底状態であるのか？
• RQ2 低温で持続的な動的ミュオンスピン緩和率λ_dが観測される原因は何か？これは幾何的縮重によるものか、電子的相関によるものか？
• RQ3 T_M以上でλ_dに臨界遅れが観測されないことは、平均場的転移を示唆しているのか？
• RQ4 異常なスピンダイナミクスは、スピンの縮重とは無関係に、小さなギャップを持つ絶縁状態に起因している可能性はあるか？
• RQ5 Eu2Ir2O7の挙動は、非縮重イリジド（例：BaIrO3）と比較してどのように異なるのか？これは緩和の起源をどのように示唆するか？

主な発見

• T_M = 120 K未満で明確なミュオンスピン歳差周波数が観測され、長距離相性反強磁性秩序が確認され、スピンガスおよび量子スピン液体基底状態の可能性が除外された。
• 動的ミュオンスピン緩和率λ_dが2 KからT_M ∼ 120 Kにわたり一定であることは、異常に遅いスピン揺らぎと、低エネルギー準位の特異的密度を示している。
• T_M以上でスピン揺らぎの臨界遅れが観測されないことは、連続的相転移に伴う相関時間の発散とは異なり、平均場的転移である可能性を示唆している。
• 持続的λ_dは電子的起源であり、Eu3+の核スピンモーメントとのハイパーフィン結合によるものではない。これはEu3+が非磁性のJ=0基底状態にあるためである。
• 同様の挙動は非縮重イリジドBaIrO3でも観測されており、幾何的縮重が異常な緩和の主因ではないことを示唆している。
• 小ギャップエネルギーΔ_g ≈ 10 meVがk_B T_Mと同等であることは、ギャップを越える電荷およびスピン揺らぎが、低エネルギー準位の増加密度に寄与している可能性を示している。