[논문 리뷰] Magnetism in S=1/2 Double-Perovskites with Strong Spin-Orbit Interactions

Hiroaki Ishizuka, Leon Balents|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 28.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 강한 스핀-오비탈 결합을 가진 S=1/2 더블퍼보스카이트에서 정면체에 기반한 테트라곤할로 변형된 면심입방정격에서 자성의 성질을 고전적 및 양자 스핀파 이론, 그리고 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 연구한다. 순서에 의한 무질서와 교환 이방성에 의해 강력한 $<110\rangle$ 자화의 용이축이 결정되며, 중간 온도에서 스핀-격자 결합이 있는 무질서/직교계 상이 예측된다. 이 전이의 연속성은 3D XY 유니버설리티 클래스에 속한다.

ABSTRACT

We study magnetism on the fcc lattice with tetragonal distortions, with general exotic directional magnetic interactions allowed by symmetry. We consider two models, corresponding to a uniform tetragonal distortion, or a two-sublattice model with a tetragonal screw axis. We establish their low temperature phase diagrams in the semi-classical limit using classical optimization and consideration of fluctuations both analytically and by Monte Carlo simulation. Both order by disorder and exchange anisotropy mechanisms favor a $\langle 110 angle$ easy axis for magnetization. We also show that spin-lattice coupling can give rise to an intermediate temperature paramagnetc nematic/orthorhombic phase, and discuss the transitions to/from this state. These results are relevant to a family of insulating magnetic double perovskites, and find immediate application to the ferromagnet Ba$_2$NaOsO$_6$.

연구 동기 및 목표

• 테트라곤할로 변형된 fcc 격자에서 강한 스핀-오비탈 결합을 가진 S=1/2 스핀의 자성 상도를 이해하는 것.
• 스핀 해밀토니안의 임의의 degeneracy를 해소하는 양자 및 열역학적 변동의 역할을 규명하는 것.
• 스핀-격자 결합에 의해 유도되는 무질서한 자성 상의 발생을 조사하는 것.
• 자기적으로 질서된 $Z_4$ 상태로의 전이의 유니버설리티 클래스를 확립하는 것.
• 특히 320K에서 입체에서 테트라곤할로 전이가 발생하는 Ba2NaOsO6와 같은 실제 물질에 결과를 적용하는 것.

제안 방법

• 저에너지 진동 및 질서된 상의 안정성을 분석하기 위해 고전적 최적화와 스핀파 이론을 사용한다.
• 유한온도 상전이와 임계 행동을 연구하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용한다.
• 경쟁적인 교환 상호작용과 Dzyaloshinskii-Moriya 유사 상호작용이 존재할 경우의 고체 상태를 식별하기 위해 Luttinger-Tisza 방법을 적용한다.
• 격자 변형 효과를 모델링하고 무질서 상을 예측하기 위해 스핀-격자 결합을 통합한다.
• 자기적 질서의 다양한 영역을 매핑하기 위해 $K_1$, $K_2$, $J_1$, $J_2$, $J_3$ 매개변수 기반의 상도 분석을 수행한다.
• 연속 전이의 유니버설리티 클래스 평가를 위해 재규격화 군 이론을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임의의 U(1) 비대칭성 존재 시, 양자 및 열역학적 변동이 자화의 용이축을 어떻게 선택하는가?
• RQ2 스핀-격자 결합은 장거리 자성 질서 없이 무질서한 자성 무질서 상을 어떻게 유도하는가?
• RQ3 Z4-질서 상태로의 전이의 성격은 무엇이며, 어느 유니버설리티 클래스에 속하는가?
• RQ4 균일하거나 나선형 유형의 테트라곤할 변형은 자화의 용이축 선택에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 Ba2NaOsO6에서 관측된 $<110\rangle$ 강한 자성 용이축은 스핀-오비탈 결합과 변동 효과로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 열역학적 및 양자적 변동은 대칭성 보호 없이도 $<110\rangle$ 방향을 자화의 용이축으로 항상 선택한다.
• $Z_4$-질서 상태는 시간역전 대칭성과 회전 대칭성을 모두 위반하여 네 개의 디그레너레이티 도메인을 가진다.
• Z4-질서 상태로의 전이는 연속적이며, 몬테카를로 시뮬레이션과 재규격화 군 분석에 의해 3D XY 유니버설리티 클래스에 속한다.
• 스핀-격자 결합은 중간 온도에서 무질서한 자성 무질서 상을 유도할 수 있으며, 이는 회전 대칭성을 위반하지만 시간역전 대칭성을 유지한다. 이 상은 임계 결합 강도 이상에서만 존재한다.
• 나선축이 있는 비틀린 모델에서는 고전적 수준에서 이미 $<110\rangle$ 자화의 용이축이 선택되어, 수직이고 정렬된 모멘트를 가진 기울어진 강자성 상태가 된다.
• 상도는 $xy$ FM/AFM, $z$ FM/AFM, 스트립 상과 같은 경쟁 질서를 포함하며, 강한 경쟁으로 인해 고체 상태를 결정할 수 없는 불안정한 영역이 존재한다.