[論文レビュー] The magnitude of the magnetic exchange interaction in the heavy fermion antiferromagnet CeRhIn$_5$

Pradip Das, Sy Lin+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2014

Rare-earth and actinide compounds被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、高分解能の中性子分光法を用いて、重いフェルミオン反強磁性体 CeRhIn₅ の完全なスピン波動スペクトルを測定し、平面内 nearest-neighbor 交換相互作用 J₀ = 0.74 meV が支配的であることを明らかにした。データは、非公有スピンスパイラル状態を説明する J₁–J₂ モデルにより定量的に記述可能であり、CeTIn₅材料における量子臨界性および非単純超伝導の理解の定量的基盤を確立した。

ABSTRACT

We have used high-resolution neutron spectroscopy experiments to determine the complete spin wave spectrum of the heavy fermion antiferromagnet CeRhIn$_5$. The spin wave dispersion can be quantitatively reproduced with a simple $J_1$-$J_2$ model that also naturally explains the magnetic spin-spiral ground state of CeRhIn$_5$ and yields a dominant in-plane nearest-neighbor magnetic exchange constant $J_0$ = 0.74 meV. Our results pave the way to a quantitative understanding of the rich low-temperature phase diagram of the prominent Ce$T$In$_5$ ($T$ = Co, Rh, Ir) class of heavy fermion materials.

研究の動機と目的

• 重いフェルミオン反強磁性体 CeRhIn₅ における磁気的交換相互作用の強さを定量的に特定すること。
• T_N = 3.8 K 未満で観察された非公有スピンスパイラル状態の性質を解明すること。
• CeTIn₅（T = Rh, Co, Ir）材料における磁気的相互作用と量子臨界的挙動との間の定量的関係を確立すること。
• 量子臨界点付近における非単純超伝導を駆動する磁気フラクチュエーションの役割を評価すること。

提案手法

• スパルタション中性子源に設置されたコールド中性子チョッパー分光計（CNCS）を用いて、高分解能の中性子分光法を実施した。
• 中性子透過を向上させるために、CeRhIn₅（0.6 mm 厚）の大口径薄板単結晶を In 自己溶融法により成長させた。
• スピン波分散を測定し、交換定数を抽出するために J₁–J₂ モデルにフィットさせた。
• 欠陥由来のピンギングによるスピン波ギャップの理論的分析を、ランダムピンギングポテンシャルを含む 3D ファゾンモードラグランジアンを用いて行った。
• ピンギング機構を有効エネルギースケールを用いてモデル化し、ギャップの大きさを強ピンギングおよび弱ピンギングの領域で区別した。
• 観測された 0.25 meV ギャップに一致させるために、強ピンギング仮定のもとで理論的推定値 V_p0 ≈ 7 meV を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CeRhIn₅ における支配的 nearest-neighbor 磁気的交換相互作用の大きさは何か？
• RQ2 CeRhIn₅ のスピン波動スペクトルは、その非公有スピンスパイラル状態とどのように関係しているか？
• RQ3 観測されたスピン波動分散は、単純な J₁–J₂ モデルで定量的に記述可能か？
• RQ4 スピン波動スペクトルに観測されたスピンギャップの起源は何か？
• RQ5 欠陥由来のピンギング効果は、CeRhIn₅ のスピン波動スペクトルにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 支配的平面内 nearest-neighbor 磁気的交換定数は、J₀ = 0.74 meV として定量的に特定された。
• CeRhIn₅ の完全なスピン波動分散は、J₁–J₂ モデルにより定量的に再現可能であり、このモデルが系の磁気的秩序に重要であることを確認した。
• 伝播ベクトル k = (0.5 0.5 0.297) の非公有スピンスパイラル状態は、J₁–J₂ モデルによって自然に説明可能である。
• スピン波動スペクトルに 0.25 meV のスピンギャップが観測され、これは磁気スパイラルの欠陥由来ピンギングに起因するとされた。
• ギャップは、強ピンギング領域で最もよく説明され、ピンギングポテンシャル強度 V_p0 ≈ 7 meV が必要であり、これは支配的交換相互作用 J₀ の約 10 倍に相当する。
• ピンギングに起因するスピンスピン相関関数の推定相関長 L₀ ≈ 10 Å は、観測されたギャップおよび試料の品質制約と整合的である。