[논문 리뷰] Fractional spin excitations in the infinite-layer cuprate CaCuO$_2$

Leonardo Martinelli, Davide Betto외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 13.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 리조너턴트 비탄성 X선 산란(RIXS)을 사용하여 무한층 구조 코발트산화물 CaCuO₂에서 분수 스핀 진동수—스핀온 쌍—의 실험적 증거를 제시한다. 결과는 (1/2, 0) 점 근처에서 스핀-1/2 진동수의 넓은 연속체가 관측되며, 이는 약 80%의 자성 스펙트럼 무게를 가지며, ΔS = 1 특성에 의해 지배되며, 큰 고리 교환 상수 Jc ≈ J₁와 관련되어 있어 강한 다중위치 상호작용으로 인한 증가된 양자 스핀역학을 나타낸다.

ABSTRACT

We use resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) to investigate the magnetic dynamics of the infinite-layer cuprate CaCuO2. We find that close to the (1/2,0) point the single magnon decays into a broad continuum of excitations accounting for 80% of the total magnetic spectral weight. Polarization resolved RIXS spectra reveal the overwhelming dominance of spin-flip ($ΔS = 1$) characterof this continuum with respect to the $ΔS= 0$ multimagnon contributions. Moreover, its incident energy dependence is identical to that of the magnon, supporting a common physical origin. We propose that the continuum originates from the decay of the magnon into spinon pairs, and we relate it to the exceptionally high ring exchange $J_\mathrm{c} \sim J_1$ of CaCuO2. In the infinite layer cuprates long-range and multi-site hopping integrals are pivotal and amplify the 2D quantum magnetism effects in spite the 3D antiferromagnetic Néel order.

연구 동기 및 목표

• 기존의 스핀파 이론을 초월하여 무한층 구조 코발트산화물 CaCuO₂의 자성 진동수 스펙트럼을 조사하기 위해.
• CaCuO₂에서 (1/2, 0) 점에서 관측된 이례적인 스펙트럼 무게가 분수 스핀 진동수 또는 다중자기자기 과정에 기인하는지 규명하기 위해.
• 고리 교환 및 다중위치 초월 스핀 상호작용이 2차원 정사각형 격자 반자성체에서 양자 진동수를 어떻게 증가시키는지 명확히 하기 위해.
• 관측된 연속체와 층상 코발트산화물에서의 스핀온 쌍 진동수 사이의 직접적인 연결 고리를 확립하기 위해.

제안 방법

• RIXS 측정은 ESRF의 ID32 비드라인을 사용하여 ERIXS 분광계를 통해 수행되었다.
• 스핀-플립(ΔS = 1)과 다중자기자기(ΔS = 0) 진동수를 구분하기 위해 편광에 의존하는 RIXS 측정이 사용되었다.
• 입사 에너지 의존성 RIXS 스펙트럼 분석을 통해 망반자기와 연속체 사이의 공통된 기원을 확인하였다.
• 완전한 자성 진동수 스펙트럼을 맵핑하기 위해 기울인 입사 및 기울인 탈출 기하학에서의 운동량 해상도 RIXS 데이터를 수집하였다.
• 고리 교환(Jc)을 포함한 확장된 허브 모델 기반 이론적 해석을 통해 스펙트럼 특징을 해석하였다.
• 에너지 분산을 기반으로 한 (1/2, 0) 및 (1/4, 1/4) 점에서의 망반자기 에너지 정량 분석을 통해 Jc/J₁ ≈ 1을 추출하였다.

Figure 1: (a) Scheme of CuO 2 planes, with Oxygen atoms depicted in red and Copper atoms in blue. Coloured lines highlight the magnetic coupling of the Hubbard-like Hamiltonian as explained in the text. (b) Sketch of CaCuO 2 crystal structure and experimental geometry used in the RIXS experiments, a

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CaCuO₂에서 (1/2, 0) 점 근처의 이례적인 스펙트럼 무게는 분수 스핀온 쌍의 기원인지, 다중자기자기 과정의 기원인지?
• RQ2 고리 교환 상수 Jc가 무한층 구조 코발트산화물에서 진동수 연속체를 어떻게 증가시키는가?
• RQ3 RIXS 스펙트럼의 편광 의존성이 스핀-플립(ΔS = 1)과 비스핀-플립(ΔS = 0) 진동수를 어떻게 구분하는가?
• RQ4 연속체의 입사 에너지 의존성이 망반자기와 동일한가? 이는 공통된 물리적 기원을 지지하는가?
• RQ5 CaCuO₂에서 큰 Jc/J₁ 비율이 다른 코발트산화물에 비해 증가된 분수화를 설명하는 데 어느 정도 기여하는가?

주요 결과

• (1/2, 0) 점 근처에서는 총 자성 스펙트럼 무게의 약 80%가 넓은 연속체에 분포되어 있어 단일 망반자기 행동에서의 심한 이탈을 나타낸다.
• 편광에 의존하는 RIXS 분석 결과, 연속체는 거의 전적으로 ΔS = 1(스핀-플립) 특성에 의해 지배되며, 국소적 이중자기자기 기여를 배제한다.
• 연속체의 입사 에너지 의존성이 망반자기와 일치하여 공통된 기원과 직접적인 RIXS 과정을 지지한다.
• 고리 교환 상수 Jc는 근처 이웃 상호작용 J₁와 거의 동일한 것으로 밝혀졌으며(Jc ≈ J₁), 이는 알려진 코발트산화물들 중에서 가장 큰 값이다.
• 강한 다중스핀 결합, 특히 큰 Jc로 인해 연속체가 증가하고 다중자기자기 특징이 억제되며, 이는 부분적인 스핀온 분리에 기여한다.
• 결과는 층상 2차원 코발트산화물에서 분수 스핀 진동수의 첫 직접 실험적 증거를 제공하며, 양자 스핀체계에서 스핀온 쌍 형성에 대한 이론 예측을 지지한다.

Figure 2: (a) RIXS scans at different momenta, acquired in grazing-out geometry and $\pi$ polarization. (b) Evolution of RIXS spectra along the $\Sigma\rightarrow X$ line. Scans have been normalized to spin-flip cross section. (c) Measured dispersion of the magnon peak along the high-symmetry lines