[論文レビュー] Magnetism in S=1/2 Double-Perovskites with Strong Spin-Orbit Interactions

Hiroaki Ishizuka, Leon Balents|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2014

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、強力なスピン-軌道結合を有する正方晶歪みを受ける面心立方格子上に存在するS=1/2二ペロブスカイト系の磁性を、古典的および量子スピン波理論とモンテカルロシミュレーションを用いて調査する。順序による無秩序（order-by-disorder）および交換異方性の結果、磁化の強力な$<110\rangle$容易軸が特定され、中間温度域でスピン-格子結合を伴うネマチック/正方晶相が予測される。この相転移は3次元XY普遍性クラスに属する連続的転移である。

ABSTRACT

We study magnetism on the fcc lattice with tetragonal distortions, with general exotic directional magnetic interactions allowed by symmetry. We consider two models, corresponding to a uniform tetragonal distortion, or a two-sublattice model with a tetragonal screw axis. We establish their low temperature phase diagrams in the semi-classical limit using classical optimization and consideration of fluctuations both analytically and by Monte Carlo simulation. Both order by disorder and exchange anisotropy mechanisms favor a $\langle 110 angle$ easy axis for magnetization. We also show that spin-lattice coupling can give rise to an intermediate temperature paramagnetc nematic/orthorhombic phase, and discuss the transitions to/from this state. These results are relevant to a family of insulating magnetic double perovskites, and find immediate application to the ferromagnet Ba$_2$NaOsO$_6$.

研究の動機と目的

• 強力なスピン-軌道結合を有する正方晶歪みを受ける面心立方格子上に配置されたS=1/2スピンの磁性相図を理解すること。
• スピンハミルトニアンにおける偶然的なdegeneracyを解消するための量子および熱的フラクチュエーションの役割を特定すること。
• スピン-格子結合に起因するネマチックなパラ磁性相の出現を調査すること。
• 磁気的長距離秩序状態$Z_4$への相転移の普遍性クラスを確立すること。
• 得られた結果を実材料、特に320Kで立方晶から正方晶への転移を示すBa2NaOsO6に適用すること。

提案手法

• 低エネルギー励起状態および秩序相の安定性を解析するための古典的最適化およびスピン波理論。
• 有限温度における相転移および臨界行動を研究するためのモンテカルロシミュレーション。
• 競合する交換相互作用およびDzyaloshinskii-Moriya型相互作用が存在する状況での基底状態を特定するためのLuttinger-Tisza法の使用。
• 格子歪み効果をモデル化しネマチック相を予測するためのスピン-格子結合の組み込み。
• 磁気秩序の異なる領域をマッピングするための$K_1$, $K_2$, $J_1$, $J_2$, $J_3$パラメータに基づく相図の分析。
• 連続的転移における$Z_4$秩序状態への普遍性クラスを評価するためのレノルミズェーション群理論の適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 偶然的なU(1)デゲネラシーが存在する状況下で、量子的および熱的フラクチュエーションが磁化のどの方向を容易軸として選択するのか。
• RQ2 長距離磁気秩序が存在しない状況で、スピン-格子結合がどのようにパラ磁性ネマチック相を誘導するのか。
• RQ3 $Z_4$秩序状態への相転移の性質は何か。また、どの普遍性クラスに属するのか。
• RQ4 正方晶歪み（一様またはスクリュー型）は、磁化の容易軸選択にどのように影響を与えるのか。
• RQ5 Ba2NaOsO6における観測された$<110\rangle$フェロ磁性的容易軸は、スピン-軌道結合およびフラクチュエーション効果によって説明可能か。

主な発見

• 熱的および量子的フラクチュエーションは、対称性的保護が存在しないにもかかわらず、磁化の$<110\rangle$方向を普遍的に容易軸として選択する。
• $Z_4$秩序状態は時間反転対称性および回転対称性を破り、4つのdegenerateな領域を有する。
• $Z_4$秩序状態への転移は連続的であり、モンテカルロシミュレーションおよびレノルミズェーション群解析の両方によって3次元XY普遍性クラスに属することが裏付けられている。
• スピン-格子結合は中間温度域のパラ磁性ネマチック相を誘導可能であり、これは回転対称性を破るが時間反転対称性を保つ。この相は結合強度が閾値を超える場合にのみ存在する。
• スクリュー軸を有するねじれモデルでは、$<110\rangle$容易軸がすでに古典的レベルで選択され、垂直方向の均一モーメントおよびスタグネートモーメントを有するカントドフェロ磁性状態が生じる。
• 相図には$xy$ FM/AFM、$z$ FM/AFM、ストライプ相などの競合秩序が含まれており、強い競合のため基底状態が特定できない不安定領域も存在する。