[論文レビュー] Quasi-1d quantum helimagnets: The fate of multipolar phases

S. Nishimoto, S.‐L. Drechsler+3 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2010

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、準一次元量子ヘリマグネティック系における、スピンネーマチックや高次マグノン束縛状態などの異常な多極子相の安定性を、チェーン間結合の下で検討する。DMRG、スピン波理論、ハードコアボソン写像を用いて、弱い反強磁性のチェーン間結合（J_ic）がこれらの相を破壊することを示し、一方で強磁性結合はそれらを安定化させる可能性がある。LiVCuO4は、J_icが弱いため、ネーマチック秩序を観測する稀な候補である。

ABSTRACT

Coupled frustrated spin-1/2 chains in high magnetic fields described within the ferro- antiferromagnetic J1-J2 Heisenberg model are studied by the DMRG, the hard core boson, and the spin wave theory approaches. Multipolar phases related to magnon bound states are destroyed (supported) by weak antiferromagnetic (ferromagnetic) interchain couplings Jic. We show that quantum spin nematics might be found for LiVCuO4 whereas for Li(Na)Cu2O2 it is prevented by a sizeable antiferromagnetic Jic. Also for Li2ZrCuO4 with a small antiferromagnetic Jic expected triatic or quartic phases are unlikely, too. The saturation field is found to be strongly affected even by a relatively small Jic.

研究の動機と目的

• 準一次元量子ヘリマグネティクスにおける、スピンネーマチックや高次マグノン束縛状態などの多極子磁気的相がチェーン間結合に対してどれほど頑健であるかを特定すること。
• LiVCuO4 や Li(Na)Cu2O2、Li2ZrCuO4 などの実際の物質において、これらの異常相が実現可能かどうかを評価すること。
• チェーン間結合の強さとトポロジーが、飽和磁場および低エネルギー励起状態に与える影響を評価すること。
• 多極子秩序の理論的予測を、非弾性中性子散乱および磁化率の実験データと一致させること。

提案手法

• 周期的境界条件を用いた密度行列ランク縮小法（DMRG）を用いて、1次元J1-J2ヘイゼンベルグ模型およびその2次元／3次元拡張を研究する。
• マグノン束縛状態とその多極子相への凝縮をモデル化するためのハードコアボソン写像。
• 低エネルギー励起状態の分析およびチェーン間結合が分散関数とギャップ構造に与える影響を検討するスピン波理論。
• チェーン間相互作用の影響を定量化するための有効なチェーン間結合パラメータ $ \tilde{j}_{\text{ic}} = N_{\text{ic}} J^{\perp}_{\text{ic}} / |J_1| $ の使用。
• 理論的飽和磁場 $ H_s $ を実験データと比較し、交換パラメータを制約する。
• 特にLiVCuO4のパラメータを精緻化するため、中性子散乱および磁化率データからの実験的制約をモデルに組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱い反強磁性のチェーン間結合が、準一次元量子ヘリマグネティクスにおける多極子相の安定性にどのように影響するか？
• RQ2 LiVCuO4 や Li(Na)Cu2O2 などの実際の物質において、スピンネーマチックまたは高次多極子相が出現する条件は何か？
• RQ3 チェーン間結合の強さが、飽和磁場および低エネルギー励起状態の性質をどの程度決定づけるか？
• RQ4 Li2ZrCuO4 では、強磁性スパイラル臨界点に近いにもかかわらず、トリアティックまたはクアドリティック相が生じにくいのはなぜか？
• RQ5 飽和磁場および磁化率の実験的値が、J1-J2-J3モデルにおける交換パラメータにどのように制約を加えるか？

主な発見

• 弱い反強磁性のチェーン間結合（J_ic）でさえ、トリアティックやクアドリティック秩序のような多極子相を破壊する。
• LiVCuO4では、弱い反強磁性のJ_icと小さな強磁性のキュリー・ワイス温度（Θ_CW ≈ 7.4 K）のおかげで、スピンネーマチック相の観測が可能である可能性がある。
• 飽和磁場 H_s は、わずかなチェーン間結合によって強く影響を受ける。LiVCuO4におけるg=2.3の場合、硬い軸方向ではH_s ≈ 48 T、容易軸方向ではH_s ≈ 42 Tとなる。
• Li(Na)Cu2O2では、比較的強いJ_ic ≈ 40–100 Kのため、理論的予測とは異なり多極子相は形成されない。
• Li2ZrCuO4では、J_ic ≈ 10 Kの小さな値でも、チェーン間結合の悪影響によりトリアティックまたはクアドリティック相が抑制される。
• 3マグノン束縛状態が低エネルギー励起として再び現れる臨界チェーン間結合閾値 j'_ic,cr ≈ 0.0109 が同定され、これは1次元的状態に近い領域を示している。