[論文レビュー] Soft dipolar spin ice physics and the ordered phase of the frustrated Tb2Sn2O7 pyrochlore magnet

Paul McClarty, Pawel Stasiak+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2010

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、仮想結晶場励起を組み込んだ有効な擬スピン-1/2ハミルトニアンをTb2Sn2O7に対して導出し、軟らかいダイポール相互作用がq=0の秩序を示す2-in/2-outスピンアイス状態とスピンの傾きを生じさせることを示している。これは実験的観察と一致する。軟らかいダイポールスピンアイスモデルのモンテカルロシミュレーションにより、Tb2Sn2O7に類似した長距離秩序を示す相と、スピンアイスに類似した凍結相との競合が確認された。

ABSTRACT

From a microscopic model for the pyrochlore antiferromagnet Tb2Sn2O7, including the crystal field Hamiltonian and interactions between the angular momenta, we compute an effective pseudospin-1/2 Hamiltonian Heff$ that incorporates perturbatively in the effective interactions the effect of excited crystal field levels. We obtain the semiclassical ground states of Heff and find a region of parameter space with a two-in/two-out spin ice configuration on each tetrahedron with ordering wavevector q=0 and with spins canted away from the local Ising axes as found in Tb2Sn2O7. This ground state can also be obtained from a dipolar spin ice model in which the Ising constraint is softened. Monte Carlo simulations on the latter model reveal a region of the phase diagram with spin ice-like freezing and another with a transition into Tb2Sn2O7-type long range order. We comment on the differences between Tb2Sn2O7 and the perplexing spin liquid Tb2Ti2O7.

研究の動機と目的

• 仮想結晶場励起の効果を捉えたTb2Sn2O7の低エネルギー有効ハミルトニアンを導出すること。
• 実験的に観察されたq=0の長距離秩序状態とスピンの傾きを持つTb2Sn2O7の磁気的秩序を、微視的モデルを用いて説明すること。
• 観察された秩序がスピン-格子結合に依存せず、ダイポール相互作用と単一イオン異方性によって生じるかどうかを検証すること。
• 軟らかいダイポールスピンアイスモデルの相図を調査し、Tb2Sn2O7およびスピン液体であるTb2Ti2O7と比較すること。
• 希土類ペロブスカイト酸化物において、スピンアイス的凍結と長距離秩序が共存または競合する条件を特定すること。

提案手法

• 結晶場、交換相互作用、およびダイポール相互作用を含む微視的モデルから、有効な擬スピン-1/2ハミルトニアン$H_{\rm eff}$を導出する。
• 摂動論を用いて、$H_{\rm eff}$に仮想結晶場励起を組み込み、励起された結晶場準位を考慮する。
• $H_{\rm eff}$の古典的基底状態を計算し、2-in/2-outアイス則に従う秩序とq=0の秩序を持つ相を特定する。
• 調整可能な単一イオン異方性を持つ、トロイモデル$H_{\rm m}$（軟らかいダイポールスピンアイスモデル、SDSIM）を導入し、相の競合を探索する。
• SDSIMに対してモンテカルロシミュレーションを実施し、長距離秩序およびスピンアイスに類似した凍結への遷移を含む相図をマッピングする。
• 系のスケールにわたる秩序パラメータ（$Y_{\mathbf{q}=0}$）、比熱、転移温度を分析し、相境界およびクロスオーバーを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Tb2Sn2O7におけるq=0の長距離秩序状態とスピンの傾きの微視的起源は何か？
• RQ2 スピン-格子結合を必要とせず、ダイポール相互作用と単一イオン異方性によってTb2Sn2O7で観察された磁気的秩序を説明できるか？
• RQ3 交換相互作用、ダイポール相互作用、および単一イオン異方性といった競合する相互作用が、希土類ペロブスカイト酸化物の相図をどのように決定するか？
• RQ4 Tb2Ti2O7におけるスピン液体的挙動とTb2Sn2O7で観察された凍結転移は、同じ現象であるのか、それとも別個の現象であるのか？
• RQ5 Ising制約を緩めることで、ダイポールスピンアイスモデルにおける長距離秩序の安定化に果たす役割は何か？

主な発見

• 微視的モデルから導出した有効ハミルトニアン$H_{\rm eff}$は、Tb2Sn2O7で観測された2-in/2-outスピンアイス基底状態とq=0の秩序、およびスピンの傾きを再現した。
• 調整可能な異方性を持つ軟らかいダイポールスピンアイスモデル（SDSIM）は、広いパラメータ範囲でTb2Sn2O7の長距離秩序状態を再現した。
• SDSIMのモンテカルロシミュレーションにより、有限温度でのTb2Sn2O7型の長距離秩序相への遷移が確認され、$X^* \approx 0.35$で凍結から真の長距離秩序へのクロスオーバーが観察された。
• SDSIMの相図は、古典的ヘイゼンベルグ反強磁性スピン液体点から離れるに従い、複数の相が広がることを示した。
• 本研究では、スピンアイス的凍結と有限温度での長距離秩序を持つ相の両方が存在する領域を特定し、Tb2Sn2O7の秩序状態を説明するにあたりスピン-格子結合は必要でないことを示唆した。
• このモデルは、Tb2Sn2O7およびTb2Ti2O7における持続的な低温スピン力学を説明する妥当な根拠を提供し、類似した異方性を持つ材料において、スピンアイス的凍結と共存するスピンの動的挙動が生じうることを示唆した。