[논문 리뷰] Theory of electric field induced one-magnon resonance in cycloidal spin magnets

Shin Miyahara, Nobuo Furukawa|ArXiv.org|2008. 11. 25.

Magnetic properties of thin films인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 순환자기 스핀 자석에서 전기장 유도 일자기진동수 공진을 위한 새로운 메커니즘을 제안하며, 대칭적인 스핀에 의존하는 분극항 $\vec{P}_S \propto \vec{S}_i \cdot \vec{S}_j$ 가 빛의 전기장 성분이 다중철산망간산염인 TbMnO₃와 DyMnO₃와 같은 다중철산화물에서 일자기진동수 상태를 유도할 수 있음을 보여준다. 주요 결과는 $E\|a$ 분극이 기저 상태의 대칭성 붕괴로 인해 일자기진동수 흡수를 선택적으로 유도한다는 점으로, 이는 이전 모델에서의 충돌하는 선택 규칙에도 불구하고 실험적으로 주목할 만한 테라헤르츠 흡수 피크가 지배적인 이유를 설명한다.

ABSTRACT

We propose a new mechanism to induce a novel one-magnon excitation by the electric component of light in cycloidal spin states, i.e. so called electromagnon process. We calculated optical spectra in the cycloidal spin structures as observed in multiferroic perovskite manganites RMnO3 where novel magnetic excitations induced by oscillating electric fields are observed. When symmetric spin-dependent electric polarizations are introduced, we have light absorptions at terahertz frequencies with one- and two-magnon excitations driven by the electric component of light. Our results show that some parts of optical spectra observed experimentally at terahertz frequencies are one-magnon excitation absorptions.

연구 동기 및 목표

• 다중철산화물 R MnO₃에서 관측된 $E\|a$ 테라헤르츠 흡수와 스핀 전류 모델이 예측하는 $E\perp P$ 선택 규칙 간 오랫동안 지속된 모순을 해결하기 위해.
• 비정렬 헤이젠베르크 체계에서 대칭성이 깨진 상태에서 전기장이 일자기진동수 상태를 유도할 수 있는 새로운 메커니즘을 규명하기 위해.
• R 이온의 다양성과 자기장에 의해 유도되는 상전이 동안에도 $E\|a$ 흡수가 지속적으로 지배적인 이유를 설명하기 위해.
• 대칭적인 스핀에 의존하는 분극 $\vec{P}_S \propto \vec{S}_i \cdot \vec{S}_j$ 가 전기 dipole 허용 일자기진동수 전이를 가능하게 하는 역할를 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 스핀 해밀토니안에 $H = H_0 - \vec{E} \cdot \vec{P}$ 를 포함한 선형 스핀파 이론 기반의 형식화로, $\vec{P}$ 는 대칭적인 스핀에 의존하는 분극 $\vec{P}_S \propto \vec{S}_i \cdot \vec{S}_j$ 를 포함한다.
• Mn-O-Mn 결합의 미세한 이론을 활용하여 $\vec{\Pi}_{ij}$ 의 방향을 결정함으로써, 결정 구조 내에서 $\vec{P}_S$ 의 대칭성을 정의한다.
• 기저 상태와 일자기진동수 상태 사이의 행렬 요소를 통해 광학적 전도도 및 유전율 함수 $\text{Im}[\epsilon\mu]$ 를 계산하였으며, 이는 순환자기 상태의 대칭성 붕괴에 의해 가능해진다.
• 이론적 스펙트럼을 DyMnO₃ 와 TbMnO₃ 의 실험적 테라헤르츠 흡수 데이터와 비교하여 $J_2/|J_1|$ 비율과 이방성 파ameter에 따라 분석하였다.
• 자기축 이방성 $-D_b \sum (S^b)^2$ 를 포함하여, 자성파 분산과 흡수 강도에 미치는 영향을 시험하였다.
• 순환자기 상과 비슷한 스핀 배열을 가진 정렬된 상에서의 선택 규칙을 분석하였으며, 후자의 경우 거의 degenerate 한 $ab$ 와 $bc$ 순환자기 평면의 초합성으로 간주하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀 전류 모델이 $E\perp P$ 선택 규칙을 예측함에도 불구하고, R MnO₃ 에서는 왜 $E\|a$ 가 테라헤르츠 흡수의 주요 분극 방향이 되는가?
• RQ2 비정렬 헤이젠베르크 체계에서 대칭적인 스핀 분극을 통해 전기장이 일자기진동수 상태를 유도할 수 있는가?
• RQ3 대칭적인 스핀에 의존하는 분극 $\vec{P}_S \propto \vec{S}_i \cdot \vec{S}_j$ 는 어떻게 전기 dipole 허용 일자기진동수 전이를 가능하게 하는가?
• RQ4 자기장에 의해 전기 분극이 $P\|c$ 에서 $P\|a$ 로 뒤집혀지더라도 실험적 흡수 피크가 강하게 유지되는 이유는 무엇인가?
• RQ5 일자기진동수 흡수 메커니즘은 R MnO₃ 에서 2 meV 근처의 저에너지 피크와 5–8 meV 근처의 넓은 피크를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 빛의 전기장 성분이 대칭적인 스핀에 의존하는 분극 $\vec{P}_S \propto \vec{S}_i \cdot \vec{S}_j$ 를 통해 일자기진동수 상태를 유도하며, 이는 스핀 회전 대칭성을 깨고 일자기진동수 상태로의 비영행렬 요소를 허용한다.
• $E\|a$ 분극에 대해 일자기진동수 흡수가 선택적으로 허용되며, 이는 결정 구조와 $\vec{P}_S$ 의 방향으로 인해 발생하여 실험적으로 지배적인 $E\|a$ 반응을 설명한다.
• TbMnO₃ 에서 $J_2/|J_1| = 0.8$ 과 DyMnO₃ 에서 $J_2/|J_1| = 1.2$ 인 경우 이론적 스펙트럼이 테라헤르츠 범위에서 실험적 유전율 함수 Im[εμ] 를 정량적으로 재현한다.
• 고온의 정렬된 상에서도, 상이 거의 degenerate 한 $ab$ 와 $bc$ 순환자기 평면의 초합성으로 간주할 경우 일자기진동수 흡수가 가능하며, 이는 실험 관측과 일치한다.
• 이방성 항인 $-D_b \sum (S^b)^2$ 는 약한 보조 피크만 생성하며, 강한 이방성 ($D_b/|J_1| = 0.6$) 이어도 주요 실험적 흡수 피크를 설명하지 못한다.
• 이 메커니즘은 다양한 R 이온과 자기장에 의해 유도되는 상전이 동안에도 지속적인 $E\|a$ 선택 규칙을 설명하며, 오랫동안 지속된 실험적 수수께끼를 해결한다.