[論文レビュー] Nematic ordering in pyrochlore antiferromagnets: high-field phase of chromium spinel oxides

Emika Takata, Tsutomu Momoi+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2015

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、弱い二乗スピン相互作用が磁気モードのペアリングと凝縮を引き起こすため、高磁場下における $S=3/2$ ピロチルコール反強磁性体にスピンネマチック（発泡四極子）相が出現すると提案する。この相は格子歪みなしに安定化され、亜鉛、カドミウム、Hgを含むクロムスピンエリス酸化物 $A\text{Cr}_2\text{O}_4$ ($A = \text{Zn}, \text{Cd}, \text{Hg}$) で観測された新しい高磁場相と一致する。

ABSTRACT

Motivated by recent observation of a new high field phase near saturation in chromium spinels $A$Cr$_2$O$_4$ ($A=$ Zn, Cd, Hg), we study the $S = 3/2$ pyrochlore Heisenberg antiferromagnet with biquadratic interactions. Magnon instability analysis at the saturation field reveals that a very small biquadratic interaction can induce magnon pairing in pyrochlore antiferromagnets, which leads to the emergence of a ferro-quadrupolar phase, or equivalently a spin nematic phase, below the saturation field. We present the magnetic phase diagram in an applied field, studying both $S=3/2$ and $S=1$ spin systems. The relevance of our result to chromium spinels is discussed.

研究の動機と目的

• 最近観測されたクロムスピンエリス酸化物 $A\text{Cr}_2\text{O}_4$ の高磁場相を、磁気飽和付近で説明すること。
• 挫折的 $S=3/2$ ピロチルコール反強磁性体における奇妙な量子相を安定化する二乗スピン相互作用の役割を調査すること。
• 四極子秩序と磁気モードペアリングを特徴とするスピンネマチック秩序が、格子歪みなしに出現しうるかどうかを特定すること。
• $S=3/2$ と $S=1$ スピン系における高磁場下でのネマチック相の安定性を比較すること。
• 磁気飽和付近での磁気モード凝縮によって生じるスピンネマチック相を含む磁気相図を確立すること。

提案手法

• 飽和磁場における磁気モード不安定性解析を用いて、束縛磁気モードペアの出現を評価した。
• 平均場（MF）アンザッツを用いて、双一次（$J_1$）および二乗（$J_2$）相互作用を含む有効スピンハミルトニアンを研究した：$\mathcal{H} = \sum_{\langle i,j\rangle} [J_1 \mathbf{S}_i \cdot \mathbf{S}_j + J_2 (\mathbf{S}_i \cdot \mathbf{S}_j)^2] - h \sum_i S_i^z$。
• 試行波動関数を用いて二準位磁気モード束縛状態を分析し、磁気モードペアリングの安定性を決定した。
• 三準位磁気モード束縛状態への拡張を施し、競合する八極子秩序の可能性を評価し、ネマチック相と八極子相の degeneracy を解消した。
• $S=3/2$ および $S=1$ システムの磁気相図を $(J_1, J_2)$ 平面上に構築した。ここで $J_1 = J\cos\theta$, $J_2 = J\sin\theta$, $J>0$ である。
• スピンサイズの違いによる結果の比較を通じて、異なる系におけるネマチック相の相対的安定性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高磁場下における $S=3/2$ ピロチルコール反強磁性体に、わずかな二乗スピン相互作用がスピンネマチック秩序を誘発できるか？
• RQ2 磁気モードペアリングと凝縮が、磁気飽和付近での発泡四極子（スピンネマチック）相を安定化する役割を果たすか？
• RQ3 クロムスピンエリス酸化物 $A\text{Cr}_2\text{O}_4$ における観測された高磁場相は、格子歪みなしにスピンネマチック状態と整合的か？
• RQ4 ネマチック相の安定性はスピンサイズにどのように依存するか、特に $S=3/2$ と $S=1$ システムの比較を通じて明らかにできるか？
• RQ5 三準位磁気モード束縛状態が存在する場合、ネマチック秩序と八極子秩序の相対的安定性はいかなるか？

主な発見

• 非常に小さな二乗スピン相互作用（$J_2 < 0$）が、$S=3/2$ ピロチルコール反強磁性体において磁気飽和付近で磁気モードペアリングを誘発し、磁気モードペアのボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）相を形成する。
• その結果生じる相は、対称的ランク2スピンテンソル秩序を特徴とするスピンネマチック（発泡四極子）状態であり、格子歪みは一切ない。
• スピンネマチック相は、クロムスピンエリス $A\text{Cr}_2\text{O}_4$ における実験的観測と整合的である。これには、ESR や磁気光学吸収データが含まれる。
• $S=1$ ピロチルコール反強磁性体の相図では、$S=3/2$ に比べてネマチック相の領域が著しく広がっており、より高い安定性を示している。
• 大きな負の $J_2$ に対して三準位磁気モード束縛状態は安定であり、その不安定性が八極子相の境界を定義する。八極子相はネマチック状態と競合する。
• 追加の四面体間相互作用が弱ければ、格子歪みがなくてもネマチック相は安定であることが確認され、結晶歪みなしにおける安定性が裏付けられた。