[論文レビュー] Magnetically originated phonon-glass-like behavior in Tb_2Ti_2O_7 single crystal

Q. J. Li, Z. Y. Zhao+5 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2013

Theoretical and Computational Physics被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、Tb₂Ti₂O₇単結晶が強いスピンフラクチュエーションに起因するフォノン散乱により、フォノンガラスに類似た熱伝導度を示すことを実証した。4 Kではフォノン平均自由行程が20 nmまで短くなり、非晶質材料よりも短く、0.3 Kでは試料サイズに対して3〜4桁短い。磁気的起源は、磁場依存の熱伝導度および非磁性体Y₂Ti₂O₇やTbYTi₂O₇との比較によって確認された。

ABSTRACT

We report a study on the thermal conductivity (κ) of Tb_2Ti_2O_7 single crystals at low temperatures. It is found that in zero field this material has an extremely low phonon thermal conductivity in a broad temperature range. The mean free path of phonons is even smaller than that of amorphous materials and is 3--4 orders of magnitude smaller than the sample size at 0.3 K. The strong spin fluctuation of the spin-liquid state is discussed to be the reason of the strong phonon scattering. The magnetic-field dependence of κand comparison with Y_2Ti_2O_7 and TbYTi_2O_7 confirm the magnetic origin of this phonon-glass-like behavior.

研究の動機と目的

• サブケルビン温度におけるTb₂Ti₂O₇単結晶の超低熱伝導度の起源を調査すること。
• 観察されたフォノン散乱の原因が構造的不純物ではなく、磁気的フラクチュエーションにあるかどうかを特定すること。
• スピンリキッドに類似した挙動および強いスピン-格子結合がフォノン輸送を抑制する役割を明確にすること。
• Tb₂Ti₂O₇を非磁性体Y₂Ti₂O₇および固体溶液TbYTi₂O₇と比較することで、熱抵抗に寄与する磁気的寄与を分離すること。
• 磁場依存の熱伝導度を用いて、磁気的散乱メカニズムを解明すること。

提案手法

• 酸素圧および成長速度を制御した浮ききりゾーン法を用いて、高品質なTb₂Ti₂O₇、Y₂Ti₂O₇、TbYTi₂O₇単結晶を成長させた。
• 標準的熱勾配法を用い、0.3 Kまで熱伝導度（κ）をゼロおよび最大14 Tの外部磁場下で測定した。
• κの磁場依存性を分析することで、磁気的および非磁気的散乱メカニズムを区別した。
• 特に[111]方向磁場下での準位および磁気励起状態を調べるため、比熱測定を実施した。
• Tb₂Ti₂O₇と非磁性体Y₂Ti₂O₇（非磁性）および磁性固体溶液TbYTi₂O₇（磁性）とのκの比較により、Tb³⁺スピンフラクチュエーションの寄与を分離した。
• ゼーマン分裂を介した共鳴フォノン散乱を検討し、約0.2 Tおよび約16 Tでの磁場依存散乱を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サブケルビン温度におけるTb₂Ti₂O₇の顕著に低いフォノン熱伝導度の原因は何か？
• RQ2 Tb₂Ti₂O₇に観察されたフォノンガラスに類似した挙動は、主に構造的不純物ではなく、磁気的フラクチュエーションに起因しているのか？
• RQ3 [111]方向への磁場印加がTb₂Ti₂O₇におけるフォノン輸送にどのように影響するか？
• RQ4 結晶場励起およびスピン-格子結合が、この系におけるフォノン散乱にどの程度寄与しているか？
• RQ5 Tb₂Ti₂O₇の熱伝導度は、非磁性体Y₂Ti₂O₇および磁性固体溶液TbYTi₂O₇と比べてどの程度異なるか？

主な発見

• Tb₂Ti₂O₇におけるフォノン平均自由行程は4 Kで20 nmまで短くなり、0.3 Kでは試料サイズに対して3〜4桁短くなる。
• Tb₂Ti₂O₇の熱伝導度は非晶質材料と同等であり、フォノンガラスに類似した挙動を示す。
• [111]方向への磁場印加によりκが増加し、磁気的散乱が抑制されることを示しており、フォノン散乱の磁気的起源を確認した。
• 非磁性体Y₂Ti₂O₇との比較により、κが顕著に高く、磁気的フラクチュエーションが主な散乱機構であることを確認した。
• TbYTi₂O₇との比較により、κは中間的であり、Tb³⁺スピンフラクチュエーションがフォノン散乱に寄与していることを支持した。
• 6 Tおよび10.5 Tでのκの磁場誘起異常は、結晶場励起による共鳴フォノン散乱に起因するとされ、推定された共鳴磁場（0.2 T、16 T）と完全には一致しないが、その可能性を示唆した。