[論文レビュー] Observation of Two-dimensional Spin Fluctuations in the Bilayer Ruthenate Sr3Ru2O7 by Inelastic Neutron Scattering

L. Capogna, E. M. Forgan+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2002

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、非弾性中性子散乱を用いて、二層ルタニン酸ストリコン酸ケイ酸塩 Sr3Ru2O7 において、2次元の不整合性スピン揺動の初回観測を報告する。スピン揺動は、フェルミ面ネスティングベクトルに近い波数で強く、高温では主に強磁性的であるのに対し、低温では反強磁性的へと変化する。これは、競合する磁性的相互作用と低エネルギースケールを示しており、物質のメタ磁性的量子臨界行動と関連している可能性を示唆する。

ABSTRACT

We report the first observation of two-dimensional incommensurate magnetic fluctuations in the layered metallic perovskite Sr3Ru2O7. The wavevectors where the magnetic fluctuations are strongest are different from those observed in the superconducting single layer ruthenate Sr2RuO4 and appear to be determined by Fermi surface nesting. No antiferromagnetic ordering is observed for temperatures down to 1.5K. For temperatures T<20K, the fluctuations become predominately ferromagnetic. Our inelastic neutron scattering measurements provide concrete evidence of the coexistence of competing interactions in Sr3Ru2O7 and of the low energy scale of the fluctuations.

研究の動機と目的

• 非特異的超伝導体 Sr2RuO4 の近縁物質である二層ルタニン酸ストリコン酸ケイ酸塩 Sr3Ru2O7 における磁性相関の性質を調査すること。
• Sr3Ru2O7 におけるスピン揺動が共鳴的か不整合性かを特定し、その温度依存的変化を同定すること。
• フェルミ面ネスティングが、この相関金属におけるスピン揺動を駆動する役割を解明すること。
• 高品質で化学 Stoichiometric な酸化物において、強磁性的および反強磁性的相互作用の相乗的相互作用が果たす役割を評価すること。

提案手法

• 高品質単結晶 Sr3Ru2O7 を用い、インスティテュート・ラウ・ランジュヴィン（ILL）の IN14 三軸分光計を用いて非弾性中性子散乱を実施した。
• 1.5 K の低温から 150 K までの温度範囲で測定を実施し、(h,k,0) および (h,0,l) の逆格子面での散乱を測定した。
• 磁気励起のエネルギーおよび波数依存性を抽出するために、ローレンツ関数フィットを用いてデータを解析した。
• 磁気ピークから離れた波数（例：(1.48,0,0) および (0.55,0,0)）における散乱データを用いてバックグラウンドを差し引くことで、磁気的寄与を分離した。
• 観測されたピークの磁気的起源を確認するために、ルタンの磁気形因子を用いた。
• 3.1 meV の横波音響フォノンの強度を用いて絶対単位に正規化したが、精度は約 20% であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sr3Ru2O7 における低エネルギースピン揺動の性質（共鳴的か不整合性か）は何か？
• RQ2 Sr3Ru2O7 におけるスピン揺動の波数は、Sr2RuO4 およびフェルミ面ネスティングベクトルと比較してどう異なるか？
• RQ3 スピン散乱の温度依存性は何か？ また、強磁性的から反強磁性的特性への遷移を示唆するか？
• RQ4 観測された揺動は、Sr3Ru2O7 のメタ磁性的量子臨界点と関連しているか？
• RQ5 電子相関およびフェルミ面トポロジーは、観測されたスピン揺動を駆動する役割を果たしているか？

主な発見

• 1.5 K において、Q ≈ (1±0.25, 0, 0) および (1±0.09, 0, 0) の二つの不整合性スピン揺動ピークが観測された。後者は最も強く、ルタンの磁気形因子と整合的であった。
• 磁気揺動は (h,0,0) 方向に強く、(h,h,0) 方向とは異なり、Sr2RuO4 とは明確に異なる。
• T ≳ 20 K の温度領域では、(1,0,0) に広いピークが出現し、スピン揺動が主に強磁性的になるため、磁性的性質のクロスオーバーが示唆された。
• 不整合性ピークは温度上昇とともに消失し、(1,0,0) ピークは増大するため、反強磁性的支配から強磁性的支配への遷移が示唆された。
• 中性子散乱応答の温度依存性は、マクロな測定と相関しており、静的磁化率のピークおよび縦磁気抵抗の符号反転（約 20 K 付近）と一致した。
• 競合する相互作用（強磁性的および反強磁性的）が共存する状況が支持され、スピン揺動の低エネルギースケールは、量子臨界点に近い状態を示唆している。