[논문 리뷰] Anti-chiral order and spin reorientation transitions of triangle-based antiferromagnets

Leon Balents|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 05.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 20인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 삼각형 기반 반자성체에서 반치라리티(order)를 가진 시스템이 낮은 외부 자기장에서 자기모멘트가 자기장과 반대 방향으로 회전하는 반면, 임계 자기장 H∗ 이상에서는 자기장과 동기화되도록 스핀 재정렬 전이를 보인다고 제안한다. 이 전이는 1차 전이 선으로 이루어지며, 이는 아이징临界점에서 끝나며, 주요 예측은 Mn3Sn에서 각도 의존성 자화 및 토크 측정을 통해 확인되었다.

ABSTRACT

We show that triangle-based antiferromagnets with "anti-chiral" order display a non-trivial dependence of the spin orientation with an in-plane field. The spins evolve from rotating in the opposite sense to the field at very low fields to rotating in the same sense as the field above some critical field scale. In the latter regime the system displays first order transitions at which the spin angles jump, and these first order lines terminate in critical points in the Ising universality class. Application to Mn$_3$Sn is discussed.

연구 동기 및 목표

• 삼각형 기반 반자성체에서 반치라리티 순서를 가진 시스템의 자기장 의존 스핀 재정렬을 이해하기 위해.
• 스핀의 회전 방식이 달라지는 저에너지 스케일 H∗의 존재를 규명하기 위해.
• 면내 자기장 하에서 스핀 구조의 1차 전이 및 아이징 임계점의 기원을 설명하기 위해.
• 이론적 예측을 Mn3Sn의 실험 관측, 특히 토크 및 자화의 각도 의존성과 연결하기 위해.
• 헤이젠베르크, 증명된 도요라쇼프스키-모리오타니(DM) 상호작용 및 단일 이온 비대칭성(SIA)을 포함하는 대칭 기반 효과적인 장 이론 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 에너지 계층(J ≫ D ≫ K)과 대칭 원리를 기반으로 한 효과적인 자유 에너지 함수를 수립하며, 스핀 구조를 기술하기 위해 복소 순서 매개변수 d를 사용한다.
• 랜도 이론을 적용하여 스핀 각도의 함수로 자유 에너지 함수를 유도하며, DM 상호작용과 SIA를 교란항으로 포함시킨다.
• 공면 스핀 상태를 기술하기 위해 순서 매개변수 d = u + iv를 사용하며, |u|² = |v|² 이고 u·v = 0 이다.
• 평균장 분석을 통해 임계 자기장 Hc = (J + √3D)/(gμB) × √(K/D) 를 유도하며, 이는 1차 전이를 예측한다.
• 에너지 최소화 원리를 적용하여 토크 τ = df/dθ 를 분석하며, 1차 전이선을 가로질러 불연속성이 나타남을 보인다.
• 면내 자기장의 각도에 따른 상도를 매핑하며, θ = π/6 + nπ/3 에서 아이징 임계점을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반치라리티 순서를 가진 삼각형 기반 반자성체에서 면내 자기장에 대한 스핀 정렬은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 스핀이 자기장과 반대 방향으로 회전하는 영역과 함께 회전하는 영역을 분리하는 임계 자기장 스케일 H∗는 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ3 왜 스핀 구조에서 1차 전이가 발생하며, 그 종료점의 성질은 무엇인가?
• RQ4 Mn3Sn에서 관측된 토크 및 자화의 각도 의존성은 이 모델로 어떻게 설명될 수 있는가?
• RQ5 특히 SO(3), S3 및 아이징 대칭성이 상도 및 임계 행동을 어떻게 조직하는가?

주요 결과

• H < H∗ 에서 스핀은 자기장과 반대 방향으로 회전하며, φn = φ(0)n − θ 이고, H > H∗ 에서는 자기장과 함께 회전하며, φn = φ(0)n + θ 이다.
• 이 두 영역 사이에서 1차 전이가 발생하며, 스핀 각도에 불연속적인 점프가 나타나며, 아이징 임계점에서 종료된다.
• 임계 자기장은 Hc = (J + √3D)/(gμB) × √(K/D) 로 예측되며, Mn3Sn에서 D = 0.2J, K = 0.006J, J = 20 meV, g = 3 일 때 Hc ≈ 20 T 가 된다.
• 토크 τ = 2uh sin(φ(θ) + θ) 는 1차 전이선을 가로질러 불연속적이며, θ = nπ/3 에서 0이 된다.
• 아이징 전이의 임계 지수는 Hc 근처에서 ψ ∼ |ω|1/3 이며, 평균장 이론과 일치하며, 3차원 아이징 유니버설리티에서 예상되는 δ ≈ 4.8 으로 재규격화될 것으로 예상된다.
• 실험적 신호로는 1차 전이선 근처에서의 특이한 각도 의존성 자기저항 및 히스테리시스가 예측되며, CeAlGe와 유사하며 Mn3Sn에서 검출 가능하다.