[論文レビュー] Heat capacity from local moments in frustrated disordered quantum spin systems: scaling and data collapse

Itamar Kimchi, John P. Sheckelton+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、挫折的で不規則な量子スピン系における普遍的な低温スケーリングの理論を提案し、スピン軌道結合およびジアロシシュキン＝モリヤ相互作用を伴う量子スピン系におけるスピン対の形成に起因する、熱容量の T/H データコラプスを説明する。理論は、C[H,T]/T ∼ H^{-γ}F_q[T/H] のスケーリング形を導出し、F_q[x] = x^q（x が小さいとき）とし、q ∈ {0,1,2} は空間対称性に依存する。実験データ（H₃LiIr₂O₆ や ZnCu₃(OH)₆Cl₂ など）と整合することを確認した。

ABSTRACT

Recently measurements on various spin-1/2 quantum magnets such as H$_3$LiIr$_2$O$_6$, LiZn$_2$Mo$_3$O$_8$, ZnCu$_3$(OH)$_6$Cl$_2$ and 1T-TaS$_2$ --- all described by magnetic frustration and quenched disorder but with no other common relation --- nevertheless showed apparently universal scaling features at low temperature. In particular the heat capacity C[H,T] in temperature T and magnetic field H exhibits T/H data collapse reminiscent of scaling near a critical point. Here we propose a theory for this scaling collapse based on an emergent random-singlet regime extended to include spin-orbit coupling and antisymmetric Dzyaloshinskii-Moriya (DM) interactions. We derive the scaling $C[H,T]/T \sim H^{-\gamma} F_q[T/H]$ with $F_q[x] = x^{q}$ at small $x$, with $q \in$ (0,1,2) an integer exponent whose value depends on spatial symmetries. The agreement with experiments indicates that a fraction of spins form random valence bonds and that these are surrounded by a quantum paramagnetic phase. We also discuss distinct scaling for magnetization with a $q$-dependent subdominant term enforced by Maxwell's relations.

研究の動機と目的

• H₃LiIr₂O₆ や 1T-TaS₂ などの多様な挫折的不規則量子スピン系における熱容量 C[H,T] の普遍的低温スケーリングを説明すること。
• 他の顕著な共通点のない材料において観測される T/H 熱容量データコラプスの微視的起源を特定すること。
• ランダムスピン対物理学、スピン軌道結合、ジアロシシュキン＝モリヤ相互作用を統合した理論的枠組みを構築し、観測されたスケーリング行動を説明すること。
• 空間対称性がスケーリング関数 F_q[x] = x^q における指数 q の決定に果たす役割を特定すること。

提案手法

• ランダムスピン対形成、スピン軌道結合、非対称ジアロシシュキン＝モリヤ（DM）相互作用を組み込んだ有効ハミルトニアンから、スケーリング形 C[H,T]/T ∼ H^{-γ}F_q[T/H] を導出する。
• 縮約群の議論を用いて、出現するランダムスピン対状態を分析し、空間対称性に基づいてスケーリング指数 q を決定する。
• マクスウェルの関係式を用いて磁化の異なるスケーリング行動を導出し、q に依存する第2項を特定する。
• スケーリング関数 F_q[x] = x^q（x が小さいとき）を、系の対称性クラスに応じて q ∈ {0,1,2} としてマッピングする。
• 多数の量子磁性体からの実験データと照合してスケーリング形を検証し、多様な材料間でコラプスが確認されることを確認する。
• ランダムスピン対相が局在したバリエンス結合を有する量子パラマグネティック状態としての重要性を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多様な挫折的不規則量子スピン系において観測される普遍的な T/H 熱容量データコラプスの微視的起源は何か？
• RQ2 スピン軌道結合およびジアロシシュキン＝モリヤ相互作用は、これらの系における熱容量スケーリング行動にどのように寄与するか？
• RQ3 スケーリング関数 F_q[x] = x^q における指数 q の値はどのように決定され、空間対称性とどのように関係するか？
• RQ4 磁化は熱容量とどのようにスケーリングするか？マクスウェルの関係式はこのスケーリングにどのように関与するか？
• RQ5 ランダムスピン対状態は、これらの物質における観測された量子パラマグネティック行動をどの程度説明できるか？

主な発見

• 熱容量スケーリング形 C[H,T]/T ∼ H^{-γ}F_q[T/H] が導出され、F_q[x] = x^q（x が小さいとき）であり、q ∈ {0,1,2} は空間対称性に依存する。
• 理論は、H₃LiIr₂O₆、LiZn₂Mo₃O₈、ZnCu₃(OH)₆Cl₂、および 1T-TaS₂ における実験で観測された普遍的な T/H データコラプスを説明する。
• 一部のスピンがランダムバリエンス結合を形成し、不純度およびスピン軌道結合によって安定化された量子パラマグネティック相に埋め込まれている。
• 磁化は、マクスウェルの関係式によって強制される q に依存する第2項を有する別個のスケーリングを示す。
• 理論と実験の整合性から、これらの挫折的量子磁性体に、出現するランダムスピン対状態が存在することが支持される。
• スケーリング指数 q は、系の空間対称性によって決定され、対称性と低エネルギー熱力学的挙動との間の接続を提供する。