[논문 리뷰] Giant gap in the magnon excitations of the quasi-1D chain compound Sr3NiIrO6

Wei Wu, D. T. Adroja외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 23.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 비틀림 1차원 스핀체인 화합물 Sr₃NiIrO₆에서 비탄성 중성자 산란을 통해 거대한 면역자기 갭을 규명하였으며, 니켈과 이리듐 이온 사이의 지배적인 이방성 반자성 스핀 상호작용 Jz = 19.5 meV 및 Jxy = 12.1 meV를 확인하였다. 이 갭은 네일 온도(TN ≈ 70 K)보다 훨씬 높은 200 K까지 유지되며, 강한 스핀-오비탈 결합 효과와 TN 이상의 새로운 에너지 척도를 시사한다. 스핀파 이론과 홀스타인-프리마코프 변환을 통해 갭이 있는 이중 모드 분산을 성공적으로 설명하였다.

ABSTRACT

Inelastic neutron scattering on the spin-chain compound Sr$_3$NiIrO$_6$ reveals gapped quasi-1D magnetic excitations. The observed one-magnon band between 29.5 and 39 meV consists of two dispersive modes. The spin wave spectrum could be well fitted with an antiferromagnetic anisotropic exchange model and single ion anisotropy on the Ni site. The extracted dominant anisotropic antiferromagnetic intra-chain exchange interaction between Ir and Ni ions are $J_z=19.5$ meV and $J_{xy}=12.1$ meV. These values justify previous electronic structure calculations, showing the importance of Ir spin orbit coupling on the electron correlations. The magnetic excitations survive up to 200 K well above the magnetic ordering temperature of $T_N \sim 70$ K, also indicating a quasi-1D nature of the magnetic interactions in Sr$_3$NiIrO$_6$. Our results not only support the idea of the existence of a new temperature scale well above $T_N$, but also emphasize the need to consider new exchange paths complicated by the SOC, resulting in additional characteristic temperatures in such spin-chain systems.

연구 동기 및 목표

• 편일차원 스핀체인 화합물 Sr₃NiIrO₆의 자성 진동 스펙트럼을 조사하기 위해.
• 관측된 면역자기 갭의 성격과 기원을 규명하기 위해.
• 스핀-오비탈 결합과 이방성 스핀 상호작용이 갭이 있는 면역자기 진동을 안정화시키는 데 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 이 시스템에서 네일 온도(TN ≈ 70 K) 이상의 새로운 에너지 척도 존재 여부를 탐색하기 위해.

제안 방법

• Sr₃NiIrO₆ 다이스퍼션 샘플에서 자성 진동 스펙트럼을 측정하기 위해 비탄성 중성자 산란(INS)을 사용하였다.
• 결정학적 대칭 제약 조건을 바탕으로 이방성 스핀 상호작용(Jz 및 Jxy)과 단일 이온 이방성(Dz)을 포함한 스핀 해밀토니안을 수립하였다.
• 스핀 시스템을 비상호작용 보손(면역자기)으로 매핑하기 위해 홀스타인-프리마코프 변환을 적용하여 스핀파 분산 계산을 가능하게 하였다.
• 이차 해밀토니안을 대각화하고 두 모드 분산 관계 ω₁,₂(Q)를 유도하기 위해 보골리우브 변환을 사용하였다.
• 모의 및 실험적 INS 데이터를 일치시키기 위해, 관측된 스핀파 밴드의 하단(ωb) 및 상단(ωt) 에너지를 사용한 피팅 절차를 개발하였으며, Dz는 유일한 자유 매개변수로 사용되었다.
• 모델은 추가적인 가정 조건 하에서 시험되었으며, 미검출된 상부 밴드 존재 가능성은 강도 및 Q 의존성의 불일치로 인해 배제되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Sr₃NiIrO₆에서 자성 진동 스펙트럼의 성격은 무엇이며, 갭을 나타내는가?
• RQ2 관측된 면역자기 갭을 일으키는 주요 스핀 상호작용은 무엇인가?
• RQ3 이 시스템에서 네일 온도(TN ≈ 70 K) 이상의 새로운 에너지 척도 존재 여부에 대한 증거가 있는가?
• RQ4 스핀-오비탈 결합과 이방성 스핀 상호작용은 스핀파 분산과 갭 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 상부 밴드가 미검출된 면역자기 모드 때문일 수 있는가, 아니면 데이터에 의해 배제되는가?

주요 결과

• 비탄성 중성자 산란 데이터는 29.5에서 39 meV 사이의 에너지를 가지며, 두 개의 분산 성분을 포함한 갭이 있는 한 개의 면역자기 밴드를 규명하였다.
• 니켈과 이리듐 이온 사이의 지배적인 이방성 반자성 스핀 상호작용은 Jz = 19.5 meV 및 Jxy = 12.1 meV로 결정되었으며, 전자 구조 계산과 일치한다.
• 자기 진동은 네일 온도(TN ≈ 70 K)보다 훨씬 높은 200 K까지 유지되며, TN 이상의 새로운 에너지 척도 존재를 뒷받침한다.
• 관측된 스핀파 분산은 이방성 스핀 상호작용과 단일 이온 이방성을 포함한 스핀 해밀토니안으로 잘 기술되며, 피팅 절차에서 Dz만이 자유 매개변수로 사용된다.
• 강도 및 Q 의존성의 불일치로 인해, 상부 면역자기 밴드가 미검출된 것임이 배제되었으며, 특히 고에너지에서의 어깨 형태의 특징이 이에 해당한다.
• Dz > 0 및 비제로 이방성 조건을 포함한 모델이 가장 우수한 피팅을 제공하였으며, 갭은 단지 Jz − Jxy 분리 때문이 아니라 이방성 스핀 상호작용과 단일 이온 이방성의 공통 작용으로 발생함을 확인하였다.