[論文レビュー] Strong Three-magnon Scattering in Cuprates by Resonant X-rays

L. J. P. Ament, Jeroen van den Brink|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2010

Magnetic properties of thin films参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、銅酸化物系における三スピン励起に、Cu $L$-および $M$-エッジにおける共鳴型非弾性X線散乱（RIXS）が極めて感受的であることを示している。三スピン散乱強度は、特に低運動量移動および $M$-エッジにおいて、単スピンおよび二スピンチャネルを上回り、支配的となる。本研究は、強い相関系における多粒子スピン励起を特徴づけるRIXSの独自のプローブとしての可能性を確立する。

ABSTRACT

We show that Resonant Inelastic X-ray scattering (RIXS) is sensitive to three-magnon excitations in cuprates. Even if it requires three electrons to simultaneously flip their spin, the RIXS tri-magnon scattering amplitude is not small. At the Cu $L$-edge its intensity is generally larger than the bi-magnon one and at low transferred momentum even larger than the single-magnon intensity. At the copper $M$-edge the situation is yet more extreme: in this case three-magnon scattering is dominating over all other magnetic channels.

研究の動機と目的

• 従来の分光法では測定が困難な三スピン励起をRIXSが検出可能であることを確立すること。
• 特にCu $L$-および $M$-エッジにおける三スピン過程の散乱振幅を定量化すること。
• 三電子スピン反転を同時に要するにもかかわらず、三スピン散乱が抑制されないことを示すこと。
• 実験的検証を可能にするために、理論的偏光および運動量依存性を提供すること。
• 三スピン寄与を不可欠な要素として含めることで、磁気的RIXSデータの定量的解釈を可能にすること。

提案手法

• RIXSにおけるKramers-Heisenberg散乱振幅を近似するために、超短核心準位寿命（UCL）展開を用いた。
• 線形スピン波理論を用いて、単スピン、二スピン、三スピン励起のスピン応答関数 $\chi_1({\bf q}, \omega)$, $\chi_2({\bf q}, \omega)$, および $\chi_3({\bf q}, \omega)$ を計算した。
• 各チャネル間の散乱強度を比較するため、エネルギー積分スペクトル重み $W_i({\bf q}) = \int d\omega \, \chi_i({\bf q}, \omega)$ を計算した。
• 実験的配置および光子の偏光を反映するため、Cu $L_{2,3}$-および $M_{2,3}$-エッジにおける偏光因子 $G({\boldsymbol{\epsilon}}, {\boldsymbol{\epsilon}}')$ を組み込んだ。
• 特に散乱面に垂直な $[0,\pi]$ 方向におけるRIXS断面積の運動量および偏光依存性を評価した。
• 既存の実験データ（CaCuO$_2$におけるCu $M$-エッジRIXSおよびLa$_2$CuO$_4$における$ L $-エッジデータ）と理論予測を照合して検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三スピン励起の高次過程であるにもかかわらず、RIXSは銅酸化物系において三スピン励起を検出可能か？
• RQ2 Cu $L$-および $M$-エッジにおける三スピン散乱強度は、単スピンおよび二スピンチャネルと比べてどの程度か？
• RQ3 銅酸化物系における三スピンRIXS信号の運動量（$\bf q$）および偏光依存性は何か？
• RQ4 三電子スピン反転を要するため、三スピン散乱振幅は抑制されるか、あるいは増幅されるか？
• RQ5 三スピン寄与を含めない限り、既存の銅酸化物系RIXSデータは定量的に説明可能か？

主な発見

• Cu $L$-エッジにおいて、三スピンRIXS強度はブリユアンゾーン全体で二スピン強度を上回り、低運動量移動 $\bf q \to 0$ では単スピン強度をも上回る。
• Cu $M$-エッジにおいて、三スピン散乱はすべての他の磁気的RIXSチャネルを上回り、主なスペクトル寄与となる。
• 三スピンスペクトル重み $W_3({\bf q})$ は、$\bf (0,0)$ から $\bf (\pi,0)$ へと移動する際に8%減少し、$\bf (0,0)$ から $\bf (\pi,\pi)$ へは30%減少するため、強い運動量依存性が示唆される。
• $M$-エッジにおける偏光因子 $G({\boldsymbol{\epsilon}}, {\boldsymbol{\epsilon}}')$ は運動量にほとんど依存せず、スペクトル線形の幾何学的感度が低いが、強度は $|G|^2$ に比例する。
• CaCuO$_2$におけるCu $M$-エッジRIXSの実験データは、理論的予測と整合する450 meVのピークを示している。
• 最近のLa$_2$CuO$_4$における$ L $-エッジRIXSデータは、$\bf q = 0$ で400 meVの特徴を示しており、予測通りの三スピン散乱の存在を支持する。