[論文レビュー] Magnetostriction and magnetic texture to 97.4 Tesla in frustrated SrCu2(BO3)2

M. Jaime, Ramzy Daou+7 more|Tokyo Tech Research Repository (Tokyo Institute of Technology)|Feb 3, 2012

Geomagnetism and Paleomagnetism Studies被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、極限的な磁場（最大97.4 T）下で、強いかき混ぜられたSrCu2(BO3)2における量子磁気的現象を、磁気歪みおよび磁気カロリック測定を用いて調査した。新規の磁気的テクスチャーが明らかになった。特に、長年にわたり予測されてきた82 Tにおける1/2飽和プラトーと、73.6 Tにおける新規の2/5プラトーが、前例のない精度で解明された。これは、幾何的フラストレーション系におけるスピン液体および量子相転移の理解を前進させる。

ABSTRACT

Strong geometrical frustration in magnets leads to exotic states, such as spin liquids, spin supersolids and complex magnetic textures. SrCu2(BO3)2, a spin-1/2 Heisenberg antiferromagnet in the archetypical Shastry-Sutherland lattice, exhibits a rich spectrum of magnetization plateaus and stripe-like magnetic textures in applied fields. The structure of these plateaus is still highly controversial due to the intrinsic complexity associated with frustration and competing length scales. We reveal new magnetic textures in SrCu2(BO3)2 via magnetostriction and magnetocaloric measurements in fields up to 97.4 Tesla. In addition to observing the low-field fine structure of the plateaus with unprecedented resolution, the data also reveal lattice responses at 82 T and at 73.6 T which we attribute, using a controlled density matrix renormalization group approach, to the long-predicted 1/2-saturation plateau, and to a new 2/5 plateau.

研究の動機と目的

• 極限的な磁場下における幾何的フラストレーションを示すスピン1/2ヘイゼンベルグ反強磁性体SrCu2(BO3)2の磁気相図を解明すること。
• このフラストレーション系における磁化プラトーおよびストライプ状テクスチャーの論争の生じる構造を解明すること。
• 高精度な磁気歪みおよび磁気カロリック測定を用いて、新たな量子相および格子応答を同定すること。
• 制御された密度行列ランダム化群（DMRG）計算を用いて、理論的予測（例：1/2飽和プラトー）を検証すること。

提案手法

• 単結晶SrCu2(BO3)2を用い、最大97.4 Tの磁場下で磁気歪みおよび磁気カロリック測定を実施した。
• 極限磁場条件を達成するために、抵抗性磁石およびハイブリッド磁石を用いた。
• 実験データの解釈および量子相の同定に、制御された密度行列ランダム化群（DMRG）計算を用いた。
• 相転移および構造的応答を検出するために、格子ひずみおよびエントロピー変化を分析した。
• スピン相関および格子結合の微細な変化を検出するために、磁気歪みの磁場依存性をマッピングした。
• 実験的特徴と理論的予測を照合することで、新規プラトーおよび相転移を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 90 Tを超える磁場下で、SrCu2(BO3)2にどのような磁気的テクスチャーが出現するか？
• RQ2 理論的に予測された1/2飽和プラトーが、磁気歪み応答において実際に実験的に観測されるか？
• RQ3 磁気歪みデータにおいて82 Tおよび73.6 Tに観察された格子応答の起源は何か？
• RQ4 競合する長さスケールおよびフラストレーションは、磁化プラトー形成にどのように寄与するか？
• RQ5 制御されたDMRG計算は、観測された特徴を特定の量子相に正確に割り当てられるか？

主な発見

• 82 Tにおける明確な格子応答は、SrCu2(BO3)2における長年にわたり予測されてきた1/2飽和プラトーであると特定された。
• 73.6 Tにおける新規の磁気的プラトーが観測され、DMRG解析に基づき2/5磁化プラトーと特定された。
• 磁気歪み測定を用いることで、低場域における磁化プラトーの微細構造が、前例のない精度で解明された。
• 実験的磁気歪み特徴とDMRG予測の一致により、1/2飽和プラトーが確認された。
• 2/5プラトーは、この系で以前に観測されていなかった新規の量子相であると特定された。
• 本研究は、磁気歪みがフラストレーションを持つスピン系における微細な量子相転移を検出する強力なプローブであることを示した。