[論文レビュー] Revealing a Triangular Lattice Ising Antiferromagnet in a Single-Crystal CeCd$_3$As$_3$

Y. Q. Liu, S. J. Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2016

Theoretical and Computational Physics被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、Ce3+イオンが強いスピン-軌道結合を示す完全な二次元三角格子を形成する単結晶CeCd3As3において、2次元三角格子イジン反強磁性体の初の実験的実現が報告された。この系は、幾何的縮重を伴う支配的イジン的相互作用を示す顕著な異方性反強磁性結合を示し、0.6 Kまで磁気的長距離秩序を示さないため、強い量子揺らぎと特異な量子相の可能性が示唆される。

ABSTRACT

We report the single-crystal growth and the fundamental magnetic and thermodynamic properties of a rare-earth triangular lattice antiferromagnet CeCd$_3$As$_3$. In this rare-earth antiferromagnet, the Ce local moments form a perfect triangular lattice. Due to the spin-orbital-entangled nature of the Ce local moments, the compound exhibits extremely anisotropic antiferromagnetic couplings along the c direction and in the ab plane respectively. We show that CeCd$_3$As$_3$ represents a {\it rare} experimental realization of an antiferromagnetic Ising model on a two dimensional triangular lattice and thus provides a prototype example for geometrical frustration. We further discuss the quantum effect of the perturbative interactions on the top of the predominant Ising interaction.

研究の動機と目的

• Ce3+イオンが2次元格子を形成するレアアース系三角格子反強磁性体CeCd3As3の磁気的および熱力学的性質を調査すること。
• 強いスピン-軌道結合および結晶場効果を考慮した場合、CeCd3As3が三角格子上での反強磁性イジン模型を実現するかを特定すること。
• 顕著な異方性スピン交換相互作用を有する系における幾何的縮重と量子揺らぎの役割を調査すること。
• CeCd3As3を、異方性スピン相互作用を有する縮重格子における量子スピン磁気のモデル系として確立すること。

提案手法

• ヨウ素をトランスポート・エージェントとして用いた蒸気輸送法によるCeCd3As3の単結晶成長。
• 磁化率、比熱、磁化の測定により、磁気的秩序と縮重の状態を調べる。
• X線回折および結晶場分裂計算を用いた結晶構造と電子状態の分析。
• スピン-軌道結合と結晶場分裂を介した有効スピン1/2クレマー二重項基底状態の同定。
• c軸とab面間の交換結合異方性の比較により、イジン的挙動の確認。
• 横磁場量子イジン模型としての系の理論的モデリングにより、量子相転移の予測を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CeCd3As3は、支配的イジン的交換相互作用を有する2次元三角格子イジン反強磁性体を実現するか？
• RQ2 CeCd3As3における反強磁性結合の異方性の起源と大きさは何か？
• RQ3 顕著な反強磁性相互作用が存在するにもかかわらず、磁気的秩序が少なくとも0.6 Kまで抑制される理由は何か？
• RQ4 量子揺らぎと摂動的スピン-xy項は、この縮重イジン系の基底状態にどのように影響を与えるか？
• RQ5 横磁場下におけるイジン模型の予測に従い、c軸磁場下で1/3磁化プラトーを示す可能性はあるか？

主な発見

• CeCd3As3はP63/mmc空間群に結晶化し、Ce3+イオンが約10.7 Å間隔で完全な2次元三角格子を形成しており、幾何的縮重を研究するに適した理想のプラットフォームである。
• Ce3+の4f1電子配置は、スピン-軌道結合によってJ=5/2状態にエンタングルされ、結晶場により3つのクレマー二重項に分裂し、基底二重項が有効スピン1/2モーメントとして働く。
• 磁気測定では0.6 Kまで長距離秩序が観測されず、強い量子揺らぎと顕著な縮重基底状態であることが示唆される。
• c軸方向の反強磁性結合Jzzは、面内結合J±よりも顕著に大きく、支配的イジン的異方性が確認された。
• 本系は、2次元三角格子上での反強磁性イジン模型の希少な実験的実現であり、量子的秩序による消去やc軸磁場下での1/3磁化プラトーの可能性を有する。
• 本化合物は、強いスピン-軌道結合を有する縮重格子における量子スピン磁気の研究のための新たなプラットフォームを提供する。これは、YbMgGaO4におけるギャップレスU(1)量子スピン液体とは対照的である。