[論文レビュー] Strong exchange anisotropy in YbMgGaO$_4$ from polarized neutron diffraction

S. Tóth, Katharina Rolfs+2 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2017

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本研究では偏光中性子回折を用いて、スピン液体候補物質YbMgGaO₄における強い異方性を示す交換相互作用を明らかにした。これは、長距離秩序が存在しない状態を安定化させるのは、顕著な異方性を示す第一近接相互作用のみであることを示している。データは、強いスピン異方性を示す第一近接相互作用のみを含むXXZモデルと最もよく一致し、長距離秩序の不在を確認するとともに、内在的量子揺らぎと外在的不純物の影響によって駆動される量子スピン液体状態を支持する。

ABSTRACT

We measured the magnetic correlations in the triangular lattice spin-liquid candidate material YbMgGaO$_4$ via polarized neutron diffraction. The extracted in-plane and out-of-plane components of the magnetic structure factor show clear anisotropy. We found that short-range correlations persist at the lowest measured temperature of 52 mK and neutron scattering intensity is centered at the $M$ middle-point of the hexagonal Brillouin-zone edge. Moreover, we found pronounced spin anisotropy, with different correlation lengths for the in-plane and out-of-plane spin components. When comparing to a self-consistent Gaussian appoximation, our data clearly support a model with only first-neighbor coupling and strongly anisotropic exchanges.

研究の動機と目的

• YbMgGaO₄における磁気的交換相互作用の性質を特定すること。これは、有効スピン1/2の三角格子を示すスピン液体候補材料である。
• 磁気的相関の異方性を測定することで、基底状態が量子スピン液体であるか秩序状態であるかという論争を解消すること。
• 自己無撞着ガウス近似（SCGA）を用いて理論的モデルと実験データを比較することで、正しいスピンハミルトニアンを同定すること。
• 内在的量子揺らぎと外在的サイト不純物（Mg/Ga）の役割を解き明かし、スピン液体状態の安定化に寄与する要因を特定すること。
• 今後の理論的研究のための磁気的ハミルトニアンに対する明確な実験的制約を提供すること。

提案手法

• フランスのインスティチュート・ラウエ＝ランジュヴィン（ILL）のD7装置を用い、52 mKで単結晶YbMgGaO₄に対して偏光中性子回折を実施した。
• xyz偏光分析を用いて、スピンスピン等時相関関数の面内成分（Syy）と面外成分（Szz）を別々に測定した。
• 磁気散乱を核散乱およびバックグラウンド成分から分離するために、スピン反転（SF）および非スピン反転（NSF）チャンネルの両方でデータを収集した。
• 候補ハミルトニアンのスピン相関をシミュレートするために、自己無撞着ガウス近似（SCGA）を用いた。これには、第一近接相互作用のみを含むモデルおよび追加の異方性相互作用を含むモデルが含まれる。
• 実験的スピン構造因子とSCGAシミュレーションを比較し、最適な適合モデルを特定した。熱的スメアリングを補正するために、有効温度（120 mK）を用いた。
• 10 Kでの構造因子の角度依存性を分析し、パラ磁性寄与および磁気的形因子の異方性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YbMgGaO₄における交換相互作用の性質は何か。また、顕著な異方性を示すか。
• RQ2 第一近接相互作用のみを含むモデルか、さらなる近接相互作用や擬似双極子項を含むモデルのどちらが実験データを最もよく記述するか。
• RQ3 内在的量子揺らぎと外在的サイト不純物（Mg/Ga）は、長距離磁気秩序の欠如にどの程度寄与しているか。
• RQ4 面内および面外のスピン相関長はどのように異なり、これにより交換異方性にどのような示唆が得られるか。
• RQ5 観測された拡散散乱および長距離秩序の欠如は、強い異方性を示す第一近接相互作用のみを含むXXZモデルで説明可能か。

主な発見

• 磁気的拡散散乱は、ヘキサゴナルブリユアンゾーンのM点に中心を置き、52 mKでも短距離相関が維持されていることを示している。
• スピン構造因子の面内成分（Syy）と面外成分（Szz）には明確な異方性が認められ、それぞれ異なる相関長を示している。
• 自己無撞着ガウス近似（SCGA）の結果、モデルB—第一近接相互作用のみで、強い異方性（Jzz ≠ J±±）を示すモデル—が実験データを最もよく再現している。
• 追加の擬似双極子相互作用を含むモデルAは、特に構造因子の角度モードに著しいずれのずれを示し、実験データとの一致が著しく悪い。
• 実験データの絶対的強度がSCGAシミュレーションと一致しており、顕著なバックグラウンドまたは機器による汚染は認められない。
• 10 Kのパラ磁性相では、調制された構造因子が観測され、これはD₃d対称性下でのYb³⁺の異方的磁気的形因子に起因するものであり、長距離秩序とは無関係である。