[論文レビュー] Giant gap in the magnon excitations of the quasi-1D chain compound Sr3NiIrO6

Wei Wu, D. T. Adroja+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2015

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、非弾性中性子散乱を用いて準一次元スピンチェーン化合物Sr₃NiIrO₆において、巨大なマグノンギャップを明らかにした。NiとIrイオン間の支配的である異方的反強磁性交換相互作用（Jz = 19.5 meV、Jxy = 12.1 meV）が特定され、ギャップはNéel転移温度（TN ≈ 70 K）よりもはるかに高い200 Kまで持続する。これは強いスピン軌道結合効果とTNより上の新しいエネルギースケールの存在を示しており、スピン波理論およびHolstein-Primakoff変換により、ギャップを持つ二重モード分散が成功裏に説明されている。

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.

研究の動機と目的

• 準一次元スピンチェーン化合物Sr₃NiIrO₆の磁気励起スペクトルを調査すること。
• 観測されたマグノンギャップの性質と起源を特定すること。
• スピン軌道結合および異方的交換相互作用が、ギャップを持つマグノン励起を安定化させる役割を評価すること。
• この系において、Néel転移温度（TN ≈ 70 K）より上に新しいエネルギースケールが存在するかを検討すること。

提案手法

• Sr₃NiIrO₆の粉末試料における磁気励起スペクトルを測定するために、非弾性中性子散乱（INS）が用いられた。
• 結晶構造の対称性制約に基づき、異方的交換相互作用（JzおよびJxy）と単一イオン異方性（Dz）を含むスピンハミルトニアンが構築された。
• スピン系を非相互作用ボソン（マグノン）に写像するために、Holstein-Primakoff変換が適用され、スピン波分散の計算が可能になった。
• 2次ハミルトニアンの対角化にボゴリューボフ変換が用いられ、二重モード分散関係ω₁,₂(Q)が導出された。
• シミュレートされたINSデータと実験データを一致させるためのフィッティング手順が開発され、下位モード（ωb）および上位モード（ωt）のエネルギーを用い、Dzを唯一の自由パラメータとした。
• 代替仮定（未検出の上位モードの存在）の下でのモデル検証が行われ、強度およびQ依存性の不一致から、上位モードが未検出であると結論づけられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sr₃NiIrO₆における磁気励起スペクトルの性質は何か？ギャップを示すか？
• RQ2 観測されたマグノンギャップを引き起こす支配的相互作用は何か？
• RQ3 この系において、Néel転移温度TN ≈ 70 Kより上に新しいエネルギースケールが存在する証拠はあるか？
• RQ4 スピン軌道結合および異方的交換相互作用は、スピン波分散およびギャップ形成にどのように寄与するか？
• RQ5 観測された上位モードは、未検出のマグノンモードによるものか？それともデータによって除外されるか？

主な発見

• 非弾性中性子散乱データにより、29.5〜39 meVのエネルギー範囲を示すギャップを持つ1マグノンバンドが確認され、これは2つの分散性モードから成る。
• NiとIrイオン間の支配的である異方的反強磁性交換相互作用は、Jz = 19.5 meVおよびJxy = 12.1 meVと特定され、電子構造計算と整合的である。
• 磁気励起はNéel転移温度TN ≈ 70 Kよりもはるかに高い200 Kまで持続するため、TNより上の新しいエネルギースケールの存在が支持される。
• 観測されたスピン波分散は、異方的交換相互作用および単一イオン異方性を含むスピンハミルトニアンによって良好に記述され、フィッティング手順においてDzが唯一の自由パラメータであった。
• 上位マグノンモードが未検出であることは、観測データと比較してQ依存性および強度プロファイルが不一致であるため、除外された。特に高エネルギー領域のショルダーがその根拠となった。
• Dz > 0および非零の異方性を含むモデルが最良のフィットを示し、ギャップがJz − Jxyのスプリング分割によるものではなく、異方的交換相互作用および単一イオン異方性の両方の寄与によって生じることを確認した。