[論文レビュー] Neutron scattering study of role of partial disorder-type spin fluctuations in conductivity of frustrated conductor Mn$_3$Pt

Keisuke Tomiyasu, Hiroyuki Yasui+1 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2012

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 25被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、単結晶非弾性中性子散乱を用いて、 frustrated 導体 Mn₃Pt の磁気的不秩序相における短距離スピン揺らぎが、秩序状態の F相と同一の部分的不秩序型スピン相関パターンを示すことを明らかにした。研究結果は、動的に揺らぐ非秩序スピン状態にある Mn 立位が、電気的伝導度を向上させる移動可能な電荷キャリアとして機能することを示しており、スピンフラストレーションと異常輸送特性の直接的な関連を示している。

ABSTRACT

The spin-frustrated conductor Mn$_3$Pt exhibits a characteristic magnetic structure called partial disorder in which some spin sites can form magnetic order through the generation of non-ordered sites that locally relieve the frustration. Here we report the results of a single-crystal inelastic neutron scattering study of this compound. The measured momentum $\vec{Q}$ correlations of diffusive magnetic scattering reveal that the paramagnetic phase exhibits short-range spin fluctuations with the same type of partial disorder. Its relation to conductivity is also discussed.

研究の動機と目的

• Mn₃Pt の磁気的不秩序相における短距離揺らぎの空間的スピン相関を調査すること。
• 磁気的不秩序相におけるスピン揺らぎが、F相で観察された部分的不秩序磁気構造と関連しているかどうかを特定すること。
• フラストレーションを示す導体における非秩序スピン状態が、電気的伝導度に与える影響を明確にすること。
• フラストレーションを示す金属におけるスピンダイナミクスと異常輸送特性の直接的な関連を確立すること。

提案手法

• JRR-3 原子炉における TOPAN 三軸分光計を用いて、Mn₃Pt の単結晶に対して非弾性中性子散乱を実施した。
• 高い統計的精度で広い Q 空間において、散乱の拡散的磁気散乱の動径（Q）相関を測定した。
• 差分法を用いて、磁気的不秩序相および F 相状態からの磁気散乱強度を分離した。
• 観察された散乱パターンに基づいて、秩序状態と非秩序状態の Mn 立位を区別する空間的スピン相関モデルを構築した。
• 実験データと計算された散乱強度パターンを比較し、提案されたスピン相関モデルの妥当性を検証した。
• 先行するスピン波研究と整合するように、観察された相関パターンから磁気的交換相互作用（J₁ および J₂）を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mn₃Pt の磁気的不秩序相における短距離スピン揺らぎは、F 相と同一の部分的不秩序型相関を示すか？
• RQ2 スピン揺らぎの空間的相関は温度に伴いどのように変化し、磁気構造とどのような関係にあるか？
• RQ3 非秩序スピン状態の Mn 立位は、Mn₃Pt のスピンダイナミクスおよび電子的輸送に果たす役割は何か？
• RQ4 T_N における伝導度の異常な低下は、動的に揺らぐ非秩序スピン状態の移動可能な立位の存在によって説明可能か？
• RQ5 層間および層内スピン相関は、観察されたスピン揺らぎパターンにどのように寄与しているか？

主な発見

• 磁気的不秩序相は、F 相と同一の部分的不秩序型空間的相関パターンを示す短距離スピン揺らぎを有しており、スピンダイナミクスと磁気構造との直接的な関連を示している。
• 磁気的不秩序相における拡散的磁気散乱は、F 相の周期的ベクトル q_F = (1,0,1/2) に対応する点で最も強く、この相関パターンが T_N 以上でも維持されていることを確認した。
• 空間的スピン相関は主に Mn 面内の 2 次元的平面内揺らぎによって支配されており、冷却に伴い層間相関が増大し、T_N で長距離秩序が出現する。
• 非秩序スピン状態の Mn 立位は動的に移動可能であり、スピン相関には参加しない。スピン相関は、最初の近接原子間相互作用に限定された秩序状態の Mn 面に限定される。
• 測定されたスピン相関長は、最初の近接 Mn–Mn 間隔のおよそ 6 倍であり、強い短距離秩序を示している。
• モデルは、移動可能な非秩序スピン状態の立位が、効果的な電荷キャリアとして機能し、磁気的不秩序相における伝導度の向上に寄与することを示唆しており、T_N における異常な伝導度低下を説明している。