[論文レビュー] Magnon Dispersion in the Field-Induced Magnetically Ordered Phase of TlCuCl3

M. Matsumoto, B. Normand+2 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2002

Optical properties and cooling technologies in crystalline materials被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、TlCuCl3における外部磁場誘発磁秩序を記述するため、最低および最高の三重項磁振子モードを含む結合演算子理論を開発した。この理論は、磁気秩序が磁振子のボーズ凝縮によって生じることを示し、実験的に観測された無限大モード、磁場依存の磁振子分散、および磁化曲線を定量的に再現する。零温度における中性子散乱および磁化データと良好に一致する。

ABSTRACT

The magnetic properties of the interacting dimer system TlCuCl3 are investigated within a bond-operator formulation. The observed field-induced staggered magnetic order perpendicular to the field is described as a Bose condensation of magnons which are linear combinations of dimer singlet and triplet modes. This technique accounts for the magnetization curve and for the field dependence of the magnon dispersion curves observed by high-field neutron scattering measurements.

研究の動機と目的

• 単一モード近似を超える、TlCuCl3における外部磁場誘発磁秩序の微視的理論の構築を目的とする。
• 高場中性子散乱実験で観測された全磁振子分散および磁化挙動を説明することを目的とする。
• 外部磁場誘発秩序相における回転対称性の破れに起因する無限大モードの出現を説明することを目的とする。
• 理論的予測をTlCuCl3およびKCuCl3における磁化および励起ギャップの実験データと調和させることを目的とする。

提案手法

• スピン状態のすべての4つの状態（singletおよびtriplet）を保持する結合演算子形式を用い、複数の磁振子モードの取り扱いを可能にする。
• 結晶構造に由来するダイマー間およびラダーライン間のスピン相互作用を含めた、平均場的分解法をスピンハミルトニアンに適用する。
• ハミルトニアンを対角化し、秩序相における集団励起モードを抽出するために、ボゴリューボフ変換を導入する。
• 外部磁場誘発秩序を、singletおよびtripletモードのコherentな重ね合わせから形成される磁振子のボーズ凝縮として扱う。
• 実験データから得られたパラメータ（J, J1, J2', J3, J3'）を含む完全なスピンハミルトニアンを用いる。
• 自己無撞着な平均場方程式を解き、凝縮幅および励起ギャップと磁化の磁場依存性を決定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高次の三重項モードを含めることで、TlCuCl3における外部磁場誘発磁秩序の記述にどのような影響を与えるか？
• RQ2 TlCuCl3の外部磁場誘発秩序相において観測された無限大モードの起源は何か？
• RQ3 磁場依存の磁振子分散曲線およびエネルギーギャップは、どのようにして基本的なスピン相互作用から生じるか？
• RQ4 なぜTlCuCl3では磁場に平行な磁化が線形から逸脱するのに対し、KCuCl3ではほぼ線形のまま保たれるのか？
• RQ5 最高三重項モードに起因するダイマー間相互作用は、Hcに近い領域で平行磁化をどの程度抑制するのか？

主な発見

• 理論は、実験的に観測された3つの磁振子モードの磁場依存性を再現し、HcにおけるE_g0およびE_g-ギャップの傾きの急激な変化も再現した。
• H > Hc領域において、最低励起モードはQ近傍で無限大であり、回転対称性の破れに起因するゴールドストーンモードの存在を確認した。
• 横磁化モーメントM⊥²は、HcおよびHs近傍でHに対して線形に依存し、M⊥ ∼ √(H - Hc)と一致する。
• TlCuCl3では、Hcに近い領域でt_-モードに起因する強いダイマー間相互作用により、平行磁化M∥が抑制され、H依存性が線形でなくなる。
• Hsにおいて、最低モードのQ近傍におけるk依存性が再び二次的になり、純粋なsinglet励起モードにギャップが再び開く。
• 臨界磁場Hc = 5.6 Tが理論的に予測され、TlCuCl3の測定値5.7 Tと非常に良好に一致した。