[論文レビュー] Neutron diffraction investigation of the H-T phase diagram above the longitudinal incommensurate phase of BaCo2V2O8

B. Grenier, V. Simonet+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2015

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、Ising c軸に沿った磁場を12 Tまで印加した状態で、BaCo2V2O8の高磁場・低温相図を単結晶中性子回折を用いて調査した。8.5 T以上でねじれを伴う横磁性反強磁性（TAF）秩序が同定され、既知の縦方向の不整合スピン密度波（LSDW）相から転移している。TAF相はトモノガ・ランゲリン液体理論と整合的であるが、予測された臨界磁場とNMRで観察された共存する不整合スピン揺らぎとの間の不一致により、修正が必要である。

ABSTRACT

The quasi-one-dimensional antiferromagnetic Ising-like compound BaCo2V2O8 has been shown to be describable by the Tomonaga-Luttinger liquid theory in its gapless phase induced by a magnetic field applied along the Ising axis. Above 3.9 T, this leads to an exotic field-induced low-temperature magnetic order, made of a longitudinal incommensurate spin-density wave, stabilized by weak interchain interactions. By single-crystal neutron diffraction we explore the destabilization of this phase at a higher magnetic field. We evidence a transition at around 8.5 T towards a more conventional magnetic structure with antiferromagnetic components in the plane perpendicular to the magnetic field. The phase diagram boundaries and the nature of this second field-induced phase are discussed with respect to previous results obtained by means of nuclear magnetic resonance and electron spin resonance, and in the framework of the simple model based on the Tomonaga-Luttinger liquid theory, which obviously has to be refined in this complex system.

研究の動機と目的

• Ising c軸に沿った高磁場下におけるBaCo2V2O8の磁気相図を特定すること。
• 8.5 T以上の場磁界で誘起される磁気秩序の性質を同定すること、これは以前のNMR測定で検出されていたが完全には特徴づけられていなかった。
• TLLに基づく理論モデルと実験的観察との不一致を解消すること、特に横磁性反強磁性相への転移臨界磁場が予測値より低い理由を明らかにすること。
• 高磁場領域における不整合スピン揺らぎの役割と、横磁性秩序との共存可能性を調査すること。

提案手法

• 磁場をc軸に沿って12 Tまで印加し、長距離磁気秩序を調べるために単結晶中性子回折を実施した。
• 磁気構造因子の解析により、秩序相の波数および対称性を特定した。
• 弱い結合S=1/2 XXZ鎖のトモノガ・ランゲリン液体（TLL）理論による予測とデータを比較した。
• 磁化曲線のフィットから得られたパラメータε=0.46およびJ′/J=0.00138を用いて理論的臨界磁場H*を計算したが、比較のため更新された値（ε=0.56、J′/J=0.04）も用いた。
• 先行研究（Klanjšekら、2015年）のNMR結果を、観察された相転移および揺らぎの文脈づけに用いた。
• ねじれ鎖や異方的結合を含む構造的複雑性が、単純なTLLモデルからのずれの原因である可能性を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 縦磁場下で8.5 T以上に安定化するBaCo2V2O8の磁気秩序の性質は何か？
• RQ2 標準パラメータを用いたTLLモデルによる予測と比較して、横磁性反強磁性相への転移臨界磁場H*が低く推定される理由は何か？
• RQ3 NMRで観察された不整合スピン揺らぎは、8.5–12 Tの範囲で中性子回折によって同定された長距離秩序とどのように関係しているか？
• RQ4 弱い結合鎖を仮定する単純なTLLモデルは、BaCo2V2O8の全H-T相図をどの程度正しく記述できないか？
• RQ5 横磁性反強磁性秩序と不整合スピン揺らぎの共存が、中性子回折とNMRの観測結果の不一致を説明できるか？

主な発見

• H* ≈ 8.5 T以上でねじれを伴う横磁性反強磁性（TAF）秩序が同定され、磁場に垂直な平面内のスタガーダム秩序と整合的である波数を示した。
• 縦方向の不整合スピン密度波（LSDW）相からTAF相への転移は、従来報告されたパラメータを用いた標準TLLモデルによる予測（15 T）よりも顕著に低い磁場で発生した。
• TAF相はTLLフレームワークと整合的であるが、臨界磁場の不一致は、元のモデルで想定されたよりも有効な非一次元結合J′/Jが大きい可能性を示唆している。
• H*を超える領域でもNMRで観察された不整合スピン揺らぎが持続しており、長距離TAF秩序と動的不整合スピン揺らぎの共存が示唆された。
• 観察された相境界は、OkunishiとSuzukiの平均場TLLモデルとは整合せず、量子揺らぎおよび複雑な非一次元結合を含む修正理論的記述が必要であることを示唆した。
• BaCo2V2O8の構造的複雑性（ねじれ鎖や多軸異方性）が、有効な非一次元結合に寄与し、TAF相の低磁場域での安定化を説明する要因である可能性がある。