[论文解读] The magnitude of the magnetic exchange interaction in the heavy fermion antiferromagnet CeRhIn$_5$

Pradip Das, Sy Lin+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2014

Rare-earth and actinide compounds被引用 4

一句话总结

本研究利用高分辨率中子能谱学测量了重费米子反铁磁体CeRhIn₅的完整自旋波谱，揭示了主要的面内近邻交换相互作用J₀ = 0.74 meV。实验数据可由J₁–J₂模型定量描述，该模型解释了自旋螺旋基态的非公度特性，为理解CeTIn₅材料体系中的量子临界行为和非常规超导性奠定了定量基础。

ABSTRACT

We have used high-resolution neutron spectroscopy experiments to determine the complete spin wave spectrum of the heavy fermion antiferromagnet CeRhIn$_5$. The spin wave dispersion can be quantitatively reproduced with a simple $J_1$-$J_2$ model that also naturally explains the magnetic spin-spiral ground state of CeRhIn$_5$ and yields a dominant in-plane nearest-neighbor magnetic exchange constant $J_0$ = 0.74 meV. Our results pave the way to a quantitative understanding of the rich low-temperature phase diagram of the prominent Ce$T$In$_5$ ($T$ = Co, Rh, Ir) class of heavy fermion materials.

研究动机与目标

• 定量测定重费米子反铁磁体CeRhIn₅中磁交换相互作用的强度。
• 解析在T_N = 3.8 K以下观测到的非公度自旋螺旋基态的本质。
• 在CeTIn₅（T = Rh, Co, Ir）材料体系中，建立磁相互作用与量子临界行为之间的定量联系。
• 评估磁涨落在量子临界点附近驱动非常规超导性的角色。

提出的方法

• 采用散裂中子源的冷中子斩波谱仪（CNCS）进行高分辨率中子能谱学测量。
• 通过In自熔法生长出大尺寸、薄片状单晶CeRhIn₅（厚度0.6 mm），以增强中子透射率。
• 测量自旋波色散关系，并通过J₁–J₂模型拟合以提取交换常数。
• 基于含随机钉扎势的三维声子模式拉格朗日量，对缺陷引起的自旋波能隙进行理论分析。
• 利用有效能量尺度对钉扎机制进行建模，以估算能隙大小，并区分强钉扎与弱钉扎区域。
• 在强钉扎假设下，推导出钉扎强度的理论估计值V_p0 ≈ 7 meV，以匹配观测到的0.25 meV能隙。

实验结果

研究问题

• RQ1 CeRhIn₅中主导的近邻磁交换相互作用的大小是多少？
• RQ2 CeRhIn₅的自旋波谱如何与其中非公度自旋螺旋基态相关联？
• RQ3 观测到的自旋波色散能否被简单的J₁–J₂模型定量描述？
• RQ4 自旋波谱中观测到的自旋能隙的起源是什么？
• RQ5 缺陷引起的钉扎效应如何影响CeRhIn₅中的自旋波谱？

主要发现

• 主导的面内近邻磁交换常数被定量确定为J₀ = 0.74 meV。
• CeRhIn₅的完整自旋波色散关系可由J₁–J₂模型定量再现，证实了该模型对系统磁序的相关性。
• 具有传播矢量k = (0.5 0.5 0.297)的非公度自旋螺旋基态可由J₁–J₂模型自然解释。
• 在自旋波谱中观测到0.25 meV的自旋能隙，归因于磁螺旋被缺陷钉扎。
• 该能隙最合理的解释是强钉扎区域，要求钉扎势强度V_p0 ≈ 7 meV，约为主导交换相互作用J₀的10倍。
• 由钉扎引起的自旋-自旋关联长度估计为L₀ ≈ 10 Å，与观测到的能隙及样品质量限制一致。