[論文レビュー] Pseudospin-lattice coupling in the spin-orbit Mott insulator Sr2IrO4

J. Porras, J. Bertinshaw+16 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2018

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、スピン軌道Mott絶縁体Sr2IrO4における磁気的基底状態および低エネルギー励起状態を説明するため、擬スピン-格子結合が不可欠であることを示している。磁化測定、中性子回折、非弾性中性子散乱、および共鳴X線散乱を用いて、面内異方性および層間結合の異方性が磁気的スターリングパターンの degeneracy を解除し、面内モードギャップを形成することを特定し、擬スピンのみのハミルトニアンでは定量的記述が不十分であることを証明した。

ABSTRACT

Spin-orbit entangled magnetic dipoles, often referred to as pseudospins, provide a new avenue to explore novel magnetism inconceivable in the weak spin-orbit coupling limit, but the nature of their low-energy interactions remains to be understood. We present a comprehensive study of the static magnetism and low-energy pseudospin dynamics in the archetypal spin-orbit Mott insulator Sr2IrO4. We find that in order to understand even basic magnetization measurements, a formerly overlooked in-plane anisotropy is fundamental. In addition to magnetometry, we use neutron diffraction, inelastic neutron scattering and resonant elastic and inelastic x-ray scattering to identify and quantify the interactions that determine the global symmetry of the system and govern the linear responses of pseudospins to external magnetic felds and their low-energy dynamics. We find that a pseudospin-only Hamiltonian is insufficient for an accurate description of the magnetism in Sr2IrO4 and that pseudospin-lattice coupling is essential. This finding should be generally applicable to other pseudospin systems with sizable orbital moments sensitive to anisotropic crystalline environments.

研究の動機と目的

• Sr2IrO4の磁気的基底状態を記述するための擬スピンのみのモデルの限界を解消すること。
• 格子結合の役割を特定・定量的に評価し、磁気秩序の対称性および安定性を決定すること。
• 面内および層間の異方性が外部磁場下での磁気励起状態およびスターリングパターンの進化をどのように支配するかを理解すること。
• 複数の実験的プローブを統合することで、この代表的4dイリジドにおける磁気の完全な記述を確立すること。
• 強いスピン軌道結合を示す他の4d/5d遷移金属酸化物における磁気の解釈フレームワークを提供すること。

提案手法

• [100]および[110]方向に沿ったメタ磁気転移を測定する高分解能磁化測定を実施した。
• 中性子回折および非弾性中性子散乱（INS）を用いて、静的および動的スピン相関を調べた。
• 共鳴弾性および非弾性X線散乱（REXSおよびRIXS）を実施し、運動量分解された磁気励起状態にアクセスした。
• RMXS（共鳴磁気的X線散乱）を用いて、外部磁場によって誘起される磁気的スターリングパターンの変化を直接観測した。
• RIXSおよびINSデータから得られる面内モードギャップを分析し、異方性パラメータを抽出した。
• 擬スピン-格子結合項を含むモデルハミルトニアンに実験データをフィッティングし、結合定数および異方性パラメータを抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ従来の擬スピンのみのモデルは、Sr2IrO4の磁気的基底状態を記述できないのか？
• RQ2 磁化測定で観測された面内磁気的異方性の起源と大きさは何か？
• RQ3 擬スピン-格子結合は、uuddおよびuddu磁気的スターリングパターン間のdegeneracyをどのように解除するのか？
• RQ4 層間結合の異方性は、磁気励起スペクトルにどのような役割を果たすのか？
• RQ5 擬スピン-格子相互作用は、外部磁場に対する擬スピンの線形応答をどの程度支配するのか？

主な発見

• 高分解能RIXSおよびINSを用いた実験的測定により、Sr2IrO4の面内モードギャップは2 meVに達することが確認され、擬スピン-格子結合効果と整合的である。
• 磁化測定により、[100]および[110]方向におけるメタ磁気転移の臨界磁場が異なる（H_c^100 < H_c^110）ことが判明し、四重対称性の異方性を示している。
• uuddおよびudduスターリングパターンは、異方性のある層間結合によって選択的に安定化され、a軸方向ではudduが、b軸方向ではuuddが好まれる。
• RMXSによる観測で、外部磁場によって誘起される磁気的スターリングパターンの変化は、擬スピン-格子結合に起因するひずみおよび対称性の低下を確認した。
• 層間結合の異方性は、ネール温度付近で最も顕著であり、スピンモーメントの大きさが小さくなり、格子結合効果が支配的になる。
• 擬スピンのみのハミルトニアンでは、この系を記述できない。すべての実験的データと定量的に一致させるためには、擬スピン-格子結合の導入が不可欠である。