[论文解读] Nematic ordering in pyrochlore antiferromagnets: high-field phase of chromium spinel oxides

Emika Takata, Tsutomu Momoi+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2015

Advanced Condensed Matter Physics被引用 4

一句话总结

该论文提出，在高磁场下，由于弱双二次自旋相互作用诱导自旋激发对成对并发生凝聚，$S=3/2$ 闪锌矿反铁磁体中会涌现自旋向列相（铁四极序相）。该相在无晶格畸变下得以稳定，并被识别为在铬尖晶石氧化物$A\text{Cr}_2\text{O}_4$（$A = \text{Zn}, \text{Cd}, \text{Hg}$）中观测到的新型高场相。

ABSTRACT

Motivated by recent observation of a new high field phase near saturation in chromium spinels $A$Cr$_2$O$_4$ ($A=$ Zn, Cd, Hg), we study the $S = 3/2$ pyrochlore Heisenberg antiferromagnet with biquadratic interactions. Magnon instability analysis at the saturation field reveals that a very small biquadratic interaction can induce magnon pairing in pyrochlore antiferromagnets, which leads to the emergence of a ferro-quadrupolar phase, or equivalently a spin nematic phase, below the saturation field. We present the magnetic phase diagram in an applied field, studying both $S=3/2$ and $S=1$ spin systems. The relevance of our result to chromium spinels is discussed.

研究动机与目标

• 解释在磁饱和附近新观测到的铬尖晶石氧化物$A\text{Cr}_2\text{O}_4$中的高场相。
• 研究双二次自旋相互作用在受阻$S=3/2$闪锌矿反铁磁体中稳定非平凡量子相的作用。
• 确定自旋向列序——以四极序和自旋激发对成对为特征——是否可在无晶格畸变下出现。
• 比较在高磁场下$S=3/2$与$S=1$自旋体系中向列相的稳定性。
• 建立一个磁相图，将自旋向列相作为接近饱和时自旋激发凝聚的结果包含在内。

提出的方法

• 在饱和场处采用自旋激发不稳定性分析，以评估束缚自旋激发对的出现。
• 使用平均场（MF）试探波函数研究含双线性（$J_1$）和双二次（$J_2$）相互作用的有效自旋哈密顿量：$\mathcal{H} = \sum_{\langle i,j\rangle} [J_1 \mathbf{S}_i \cdot \mathbf{S}_j + J_2 (\mathbf{S}_i \cdot \mathbf{S}_j)^2] - h \sum_i S_i^z$。
• 利用试探波函数分析两自旋激发束缚态，以确定自旋激发对的稳定性。
• 将分析扩展至三自旋激发束缚态，以评估竞争的八极序并解除向列相与八极相之间的简并。
• 在$(J_1, J_2)$平面中构建$S=3/2$与$S=1$体系的磁相图，其中$J_1 = J\cos\theta$，$J_2 = J\sin\theta$，$J>0$。
• 在不同自旋尺寸间比较结果，以评估不同体系中向列相的相对稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高磁场下，微小的双二次相互作用是否可在$S=3/2$闪锌矿反铁磁体中诱导出自旋向列序？
• RQ2 自旋激发对成对与凝聚在稳定接近饱和的铁四极序（自旋向列）相中起什么作用？
• RQ3 在铬尖晶石氧化物$A\text{Cr}_2\text{O}_4$中观测到的高场相是否与无晶格畸变的自旋向列态一致？
• RQ4 向列相的稳定性如何依赖于自旋大小，特别是比较$S=3/2$与$S=1$体系？
• RQ5 在存在三自旋激发束缚态时，向列序与八极序的相对稳定性如何？

主要发现

• 在接近饱和场时，极小的双二次相互作用（$J_2 < 0$）可在$S=3/2$闪锌矿反铁磁体中诱导自旋激发对，形成自旋激发对的玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）相。
• 所得相为自旋向列相（铁四极序态），其特征为对称秩-2自旋张量序，且无任何晶格畸变。
• 该自旋向列相与铬尖晶石$A\text{Cr}_2\text{O}_4$中的实验观测一致，包括高场相中的电子自旋共振（ESR）和磁光吸收数据。
• $S=1$闪锌矿反铁磁体的相图显示，向列相区域明显宽于$S=3/2$体系，表明其具有更高的稳定性。
• 对于大负值$J_2$，三自旋激发束缚态是稳定的，其不稳定性界定了潜在八极相的边界，该相与向列相存在竞争。
• 只要额外的四面体间相互作用较弱，即使无此类相互作用，向列相也具有鲁棒性，证实其在无晶格畸变下仍稳定。