[論文レビュー] Theory of electric field induced one-magnon resonance in cycloidal spin magnets

Shin Miyahara, Nobuo Furukawa|ArXiv.org|Nov 25, 2008

Magnetic properties of thin films被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、サイクロイダルスピン磁性体における電場誘発1準位モード共鳴の新しいメカニズムを提案し、対称的スピン依存性極化項 $\vec{P}_S \propto \vec{S}_i \cdot \vec{S}_j$ が、TbMnO₃ や DyMnO₃ などの多フェロ酸化物マンガネートで光の電場成分が1準位モード励起を駆動可能であることを示している。主な結果は、基底状態における対称性の破れにより $E\|a$ 偏光が1準位モード吸収を特異的に誘発することであり、従来のモデルが示す選択則の矛盾にもかかわらず、実験的に顕著なテラヘルツ吸収ピークが観測される理由を説明している。

ABSTRACT

We propose a new mechanism to induce a novel one-magnon excitation by the electric component of light in cycloidal spin states, i.e. so called electromagnon process. We calculated optical spectra in the cycloidal spin structures as observed in multiferroic perovskite manganites RMnO3 where novel magnetic excitations induced by oscillating electric fields are observed. When symmetric spin-dependent electric polarizations are introduced, we have light absorptions at terahertz frequencies with one- and two-magnon excitations driven by the electric component of light. Our results show that some parts of optical spectra observed experimentally at terahertz frequencies are one-magnon excitation absorptions.

研究の動機と目的

• 多フェロ酸化物 R MnO₃ における観測された $E\|a$ テラヘルツ吸収と、スピン電流モデルが予測する $E\perp P$ 選択則の間の長年の矛盾を解消すること。
• 非摂動的ヘイゼンベルグ系で対称性が破れている状態において、電場が1準位モード励起を誘発する新しいメカニズムを特定すること。
• R 種の異なるイオンや磁場誘発相転移においても、$E\|a$ 吸収が持続的に優勢である理由を説明すること。
• 対称的スピン依存性極化 $\vec{P}_S \propto \vec{S}_i \cdot \vec{S}_j$ が電気双極子許可1準位モード遷移を可能にする役割を明確にすること。

提案手法

• 線形スピン波理論に基づく形式的枠組みを採用し、$H = H_0 - \vec{E} \cdot \vec{P}$ を含むスピンハミルトニアンを用いる。ここで $\vec{P}$ には対称的スピン依存性極化 $\vec{P}_S \propto \vec{S}_i \cdot \vec{S}_j$ が含まれる。
• Mn-O-Mn 結合の微視的理論を用いて、$\vec{\Pi}_{ij}$ の方向を特定し、これが結晶構造内での $\vec{P}_S$ の対称性を定義する。
• サイクロイダル基底状態による対称性の破れのおかげで、基底状態と1準位モード状態との行列要素が非ゼロとなることを利用し、光学的電導度および誘電関数 $\text{Im}[\epsilon\mu]$ を計算する。
• 理論的スペクトルを、DyMnO₃ および TbMnO₃ におけるテラヘルツ吸収実験データと、$J_2/|J_1|$ のさまざまな比と異方性パラメータで比較する。
• 磁気的容易軸異方性 $-D_b \sum (S^b)^2$ を組み込み、モード分散および吸収強度に与える影響を検証する。
• サイクロイダル相および反強磁性相における選択則の分析を行い、後者をほぼ簡約なサイクロイダル面（$ab$ および $bc$）の重ね合わせと仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $E\|a$ が R MnO₃ におけるテラヘルツ吸収の支配的偏光である理由は何か、なぜスピン電流モデルが予測する $E\perp P$ 選択則と矛盾するのか？
• RQ2 非摂動的ヘイゼンベルグ系において、対称的スピン極化を通じて電場が1準位モード励起を誘発できるか？
• RQ3 対称的スピン依存性極化 $\vec{P}_S \propto \vec{S}_i \cdot \vec{S}_j$ が電気双極子許可1準位モード遷移を可能にする役割は何か？
• RQ4 磁場により電気分極が $P\|c$ から $P\|a$ に反転しても、なぜ実験的吸収ピークが強いまま保たれるのか？
• RQ5 1準位モード吸収メカニズムは、R MnO₃ における2 meV付近の低エネルギーピークおよび5–8 meV付近の広帯域ピークを説明できるか？

主な発見

• 光の電場成分が、スピン回転対称性を破る対称的スピン依存性極化 $\vec{P}_S \propto \vec{S}_i \cdot \vec{S}_j$ を介して1準位モード励起を誘発し、基底状態と1準位モード状態との間で非ゼロの行列要素を生じさせることを示した。
• $E\|a$ 偏光に対してのみ1準位モード吸収が選択的に許可されるのは、結晶構造および $\vec{P}_S$ の方向のおかげであり、実験的に観測される支配的 $E\|a$ 応答を説明している。
• TbMnO₃ において $J_2/|J_1| = 0.8$、DyMnO₃ において $J_2/|J_1| = 1.2$ の場合、理論的スペクトルがテラヘルツ領域で実験的誘電関数 Im[εμ] を定量的に再現している。
• 高温の反強磁性相でも、その相がほぼ簡約な $ab$ および $bc$ サイクロイダル面の重ね合わせと見なされる限り、1準位モード吸収が発生しうる。これは実験的観察と整合的である。
• 異方性項 $-D_b \sum (S^b)^2$ は弱いサイドピークしか生成せず、強い異方性（$D_b/|J_1| = 0.6$）でも主な実験的吸収ピークを説明できない。
• 本メカニズムにより、異なるRイオンや磁場誘発相転移においても $E\|a$ 選択則が一貫して維持される理由が説明され、長年の実験的謎が解けた。