[論文レビュー] Trigonal distortion in the honeycomb iridates: Proximity of zigzag and spiral phases in Na2IrO3

Jeffrey G. Rau, Hae‐Young Kee|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2014

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、Na2IrO3における三重対称性の歪みが、追加の対称的非対角交換項Γ′を介して、反強磁性Kitaev極限に近い状態でズイグループ磁気秩序を安定化させることを提案している。これは第二近接相互作用を必要とせず、実験的に観測されたスピン秩序を説明するものである。古典的解析と正確対角化を用いて、負のΓ′によって安定化される特徴的なFK-ズイグループ相を同定し、中性子散乱およびX線散乱実験から得られる動的構造因子の主要な特徴を再現している。

ABSTRACT

The Kitaev honeycomb model has been suggested as a useful starting point to describe the honeycomb iridates. However, the zigzag ordering seen in Na2IrO3 and the magnetic transition in Li2IrO3 have raised questions to their connection to the Kitaev model and to the microscopic origin of these magnetic states, given their structural similarities. Here we study how the magnetic phases near the Kitaev spin liquid are affected by the inclusion of trigonal distortion of the oxygen octahedra within a purely nearest neighbour model. Using a combination classical analysis and exact diagonalization we show that near the ferromagnetic Kitaev limit a small amount of trigonal distortion, as found in Na2IrO3, stabilizes a zigzag phase. Decreasing the distortion destabilizes the zigzag phase toward a spiral phase that may be relevant for Li2IrO3. Using semi-classical spin-wave calculations we show that this regime is qualitatively consistent with experimentally known features of the dynamical structure factor in Na2IrO3 and speculate on implications for Li2IrO3.

研究の動機と目的

• 酸素オクテイヒドラドンの三重対称性の歪みが、ハニカム系イリジエートスに及ぼす磁気秩序への影響を理解すること。
• 三重対称性の歪みを含む最小限の近接スピンモデルが、第二または第三近接相互作用を仮定せずに観測されたズイグループ磁気秩序を説明できるかどうかを特定すること。
• 得られた相が、三重対称性が小さいLi2IrO3にとってどのような意味を持つのかを評価すること。
• 理論的スピン波スペクトルを、実験的な非弾性中性子散乱およびRIXSデータと比較すること。
• 対称的非対角交換項Γ′が、強磁性Kitaev極限に近いズイグループ相を安定化させる役割を明確にすること。

提案手法

• 対称性および微視的解析を用いて、ヘイゼンベルク-Kitaev-Γモデルを一般化し、三重対称性の歪み効果を導入し、新たな対称的非対角交換項Γ′を導入する。
• J、K、Γ、Γ′の関数として、Kitaev極限（AFKおよびFK）の近傍における相図を古典的シミュレーテッドアニーリングによりマッピングする。
• 有限サイズの量子クラスターに対する正確対角化を用いて、基底状態を同定し、古典的相境界を検証する。
• 半古典的スピン波理論を用いて動的構造因子を計算し、実験的中性子散乱およびRIXSデータと比較する。
• スピン配置および構造因子を分析して、FK-ズイグループ領域に近い複数のQ不整合なスパイラル相を同定する。
• Γ′を変化させることで、ズイグループからスパイラル秩序への遷移を調査し、特にLi2IrO3における三重対称性の歪みが小さい状況を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Na2IrO3における三重対称性の歪みは、最小限の近接スピンモデル内においてズイグループ磁気秩序を安定化させ得るか？
• RQ2 新たに導入された対称的非対角交換項Γ′は、強磁性Kitaev極限に近いズイグループ相を安定化させる役割を果たすか？
• RQ3 有限のΓと負のΓ′を持つFK-ズイグループ相は、Na2IrO3で実験的に観測された動的構造因子を再現するか？
• RQ4 三重対称性の歪みが減少することで、ズイグループ秩序からスパイラル秩序へと移行するプロセスはどのように進行し、Li2IrO3にとって関係があるか？
• RQ5 2M/3の主要な波数を有する複数Qスパイラル相は、Li2IrO3で観測された非弾性中性子散乱の特徴を説明できるか？

主な発見

• 三重対称性の歪みは、スピンハミルトニアンに新たな対称的非対角交換項Γ′を導入し、強磁性Kitaev極限に近いズイグループ相を安定化させる。
• 有限のΓと小さな負のΓ′を持つFK-ズイグループ相は、Na2IrO3の可能性の高い基底状態であり、実験的観測と整合的である。
• 半古典的スピン波計算により、FK-ズイグループ相の動的構造因子が、非弾性中性子散乱およびRIXS実験で観測された低エネルギー特徴を定性的に再現している。
• FK-ズイグループ領域における三重対称性の歪みの減少は、2M/3が主要な波数を有する複数Q不整合スパイラル相の族へと導く。
• 2M/3近傍のスパイラル相は約4 meVのスピン波ギャップと、波数0.4 Å⁻¹付近の低エネルギー谷を示し、最近の非弾性中性子散乱データと整合的である。
• 2M/3におけるフェルルミオン的磁気モーメントが1サイトあたり約0.254である古典的基底状態は、Li2IrO3における磁気秩序相との可能性ある関連性を示唆している。