[論文レビュー] Absence of zero-point entropy in a triangular Ising antiferromagnet

Yuesheng Li, Sebastian Bachus+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2018

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 22被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、幾何的縮重による理論的予測である広範な残留エントロピーに反する、三角格子イジン反強磁性体TmMgGaO4の基底状態を調査する。実験的測定により、残留エントロピーはほぼゼロであることが判明し、これは弱い第二近接交換結合（J2zz ~ 0.09J1zz）がdegeneracyを解除し、ストライプ秩序やスピンプラトー状態といった秩序状態を安定化させることに起因するとされる。これにより、長年にわたり悩まされた強磁性体の縮重のパラドックスが解消された。

ABSTRACT

Frustrated Ising magnets host exotic excitations, such as magnetic monopoles in spin ice. The ground state (GS) in this case is characterized by an extensive degeneracy and associated residual entropy going back to the pioneering work by G. Wannier who established large residual entropy of nearly 50%Rln2 per mole spins in a triangular Ising antiferromagnet (TIAF) already in 1950. Here, we endeavor to verify this result experimentally using TmMgGaO4, a novel rare-earth-based frustrated antiferromagnet with Ising spins arranged on a perfect triangular lattice. Contrary to theoretical expectations, we find almost no residual entropy and ascribe this result to the presence of a weak second-neighbor coupling J2zz ~ 0.09J1zz that lifts the GS degeneracy and gives rise to several ordered states, the stripe order, 1/3-plateau, and 1/2-plateau. TmMgGaO4 gives experimental access to these novel phases of Ising spins on the triangular lattice.

研究の動機と目的

• 1950年にワナナーが提唱した、三角格子イジン反強磁性体における大きな残留エントロピーの理論的予測を検証すること。
• TmMgGaO4における幾何的縮重が、広範な基底状態の degeneracy および関連する残留エントロピーを引き起こすかどうかを調査すること。
• 特に第二近接相互作用が、基底状態の degeneracy をどのように解除するかを特定すること。
• 強磁性系における新しい量子相、例えばストライプ秩序やスピンプラトー状態を同定・特徴付けること。

提案手法

• イジン的Tm3+イオンを有するレアアース系三角格子反強磁性体TmMgGaO4の単結晶の合成と特性評価。
• 残留エントロピーのプローブおよび相転移の検出のための低温比熱測定。
• 1/3および1/2プラトーを含む、磁化プラトーおよび秩序状態の同定のための高磁場下での磁化測定。
• 第一近接（J1zz）および第二近接（J2zz）イジン結合を含むスピンハミルトニアンの分析により、degeneracyの欠如を説明すること。
• 実験結果と理論モデルの比較により、J2zzが基底状態選択に与える影響を評価すること。
• 中性子回折および磁場依存磁化率の使用により、秩序状態の出現を確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三角格子イジン反強磁性体TmMgGaO4は、理想化モデルで予測された広範な基底状態の degeneracy および残留エントロピーを示すか？
• RQ2 第二近接交換結合（J2zz）は、この強磁性系における基底状態の degeneracy をどのように解除するか？
• RQ3 残留エントロピーの欠如は、ストライプ秩序やスピンプラトー状態といった秩序状態の安定化によって説明可能か？
• RQ4 弱いJ2zzが存在する場合に、どのような新しい量子相が出現し、それらはどのように実験的に検出されるか？
• RQ5 幾何的縮重と弱い高次相互作用の間の相互作用は、イジン反強磁性体の期待される熱力学的挙動をどのように変化させるか？

主な発見

• TmMgGaO4における実験的残留エントロピーはほぼゼロであり、スピン1モルあたり約0.5Rln2の理論的予測とは矛盾する。
• 残留エントロピーの欠如は、基底状態の degeneracy を解除する弱い第二近接イジン結合J2zz ~ 0.09J1zzに起因するとされる。
• 本系はストライプ秩序状態および磁化飽和値の1/3および1/2に相当する明確な磁化プラトーを含む、多数の秩序相を示す。
• 比熱測定では、低温でシュットキー異常や残留エントロピーが観測されず、degeneracyのない特異な基底状態であることが示された。
• 観測された1/3プラトーおよび1/2プラトー状態は、弱いJ2zzを有する三角格子上のイジンスピン系における理論的予測と整合的である。
• 結果は、J2zzのような微小な摂動でさえも、強磁性スピン系の基底状態特性を劇的に変化させ得ることを示しており、長年のエントロピーのパラドックスが解消された。