[论文解读] Magnetism in S=1/2 Double-Perovskites with Strong Spin-Orbit Interactions

Hiroaki Ishizuka, Leon Balents|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2014

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 6

一句话总结

本文通过经典与量子自旋波理论及蒙特卡洛模拟，研究了在四角形畸变的面心立方晶格上具有强自旋-轨道耦合的S=1/2双钙钛矿材料中的磁性。研究发现，由于有序致序与交换各向异性，磁化强度具有稳健的$<110\rangle$易轴特性，并预测在中等温度下存在自旋-晶格耦合的向列/正交相，其连续相变属于三维XY普适类。

ABSTRACT

We study magnetism on the fcc lattice with tetragonal distortions, with general exotic directional magnetic interactions allowed by symmetry. We consider two models, corresponding to a uniform tetragonal distortion, or a two-sublattice model with a tetragonal screw axis. We establish their low temperature phase diagrams in the semi-classical limit using classical optimization and consideration of fluctuations both analytically and by Monte Carlo simulation. Both order by disorder and exchange anisotropy mechanisms favor a $\langle 110 angle$ easy axis for magnetization. We also show that spin-lattice coupling can give rise to an intermediate temperature paramagnetc nematic/orthorhombic phase, and discuss the transitions to/from this state. These results are relevant to a family of insulating magnetic double perovskites, and find immediate application to the ferromagnet Ba$_2$NaOsO$_6$.

研究动机与目标

• 理解在强自旋-轨道耦合下四角形畸变fcc晶格上S=1/2自旋的磁相图。
• 确定量子与热涨落对自旋哈密顿量中偶然简并的解除作用。
• 研究由于自旋-晶格耦合而出现的向列顺磁相的起源。
• 确定向磁有序$Z_4$态相变的普适类。
• 将结果应用于实际材料，特别是Ba2NaOsO6，其在320K发生立方到四角形相变。

提出的方法

• 通过经典优化与自旋波理论分析低能激发及有序相的稳定性。
• 利用蒙特卡洛模拟研究有限温度相变与临界行为。
• 采用Luttinger-Tisza方法识别在竞争交换相互作用与类似Dzyaloshinskii-Moriya相互作用下的基态。
• 引入自旋-晶格耦合以模拟晶格畸变效应并预测向列相。
• 通过$K_1$、$K_2$、$J_1$、$J_2$、$J_3$参数分析相图，绘制不同磁序区域。
• 应用重整化群理论评估连续相变至$Z_4$有序态的普适类。

实验结果

研究问题

• RQ1 在偶然U(1)简并存在下，量子与热涨落如何选择磁序？
• RQ2 自旋-晶格耦合如何在无长程磁序条件下诱导顺磁向列相？
• RQ3 向$Z_4$有序态的相变本质为何？其属于哪种类普适类？
• RQ4 四角形畸变（均匀或螺旋型）如何影响磁化易轴的选择？
• RQ5 Ba2NaOsO6中观测到的$<110\rangle$铁磁易轴能否由自旋-轨道耦合与涨落效应解释？

主要发现

• 热涨落与量子涨落在无对称性保护下仍普遍选择$<110\rangle$方向作为磁化易轴。
• $Z_4$有序相同时破缺时间反演对称性与旋转对称性，形成四个简并的自旋态。
• 向$Z_4$有序相的相变为连续相变，且属于三维XY普适类，蒙特卡洛模拟与重整化群分析均支持此结论。
• 自旋-晶格耦合可诱导出中等温度下的顺磁向列相，该相破缺旋转对称性但保持时间反演对称性，且仅在耦合强度超过阈值时存在。
• 在具有螺旋轴的扭曲模型中，$<110\rangle$易轴在经典水平即被选定，导致具有正交均匀与间歇磁矩的倾斜铁磁态。
• 相图中存在竞争序，包括$xy$ FM/AFM、$z$ FM/AFM与条纹相，部分区域因强竞争而无法确定基态。