[论文解读] Anti-chiral order and spin reorientation transitions of triangle-based antiferromagnets

Leon Balents|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 20被引用 3

一句话总结

该论文提出，具有反手性序的三角晶格反铁磁体在磁场调控下表现出自旋再取向相变，即在低场下自旋与平面内磁场反向旋转，而在超过临界尺度H∗后则与磁场同步旋转。该相变涉及终止于伊辛临界点的一级相变线，其关键预测已在Mn3Sn中通过角度磁化率和扭矩测量得到证实。

ABSTRACT

We show that triangle-based antiferromagnets with "anti-chiral" order display a non-trivial dependence of the spin orientation with an in-plane field. The spins evolve from rotating in the opposite sense to the field at very low fields to rotating in the same sense as the field above some critical field scale. In the latter regime the system displays first order transitions at which the spin angles jump, and these first order lines terminate in critical points in the Ising universality class. Application to Mn$_3$Sn is discussed.

研究动机与目标

• 理解具有反手性序的三角晶格反铁磁体在磁场依赖下的自旋再取向行为。
• 识别出低能标H∗的出现，该标度将自旋旋转的两种不同区域分隔开。
• 解释在平面内磁场下自旋构型中一级相变及其终止点的起源。
• 将理论预测与Mn3Sn中的实验观测（特别是扭矩与磁化率的角依赖性）相联系。
• 建立基于对称性的有效场论框架，整合海森伯、Dzyaloshinskii-Moriya（DM）及单离子各向异性（SIA）相互作用。

提出的方法

• 基于对称性与能量层级（J ≫ D ≫ K）构建有效自由能，使用复数序参量d描述自旋构型。
• 应用朗道理论，以自旋角度表示自由能泛函，将DM耦合与SIA作为微扰项引入。
• 利用序参量d = u + iv，满足|u|² = |v|²且u·v = 0，描述三角晶格上的共面自旋态。
• 通过平均场分析推导出临界场Hc = (J + √3D)/(gμB) × √(K/D)，预测一级相变。
• 利用能量最小化分析扭矩τ = df/dθ，显示一级相变线处存在不连续性。
• 在平面内磁场方向角上绘制相图，识别出在θ = π/6 + nπ/3处的伊辛临界点。

实验结果

研究问题

• RQ1 在反手性三角晶格反铁磁体中，自旋取向如何响应平面内磁场的变化？
• RQ2 决定分隔自旋反向旋转与同步旋转区域的临界场标度H∗由什么因素决定？
• RQ3 为何自旋构型中会出现一级相变？其终止点具有何种性质？
• RQ4 该模型如何解释Mn3Sn中观测到的扭矩与磁化率的角依赖性？
• RQ5 对称性（特别是SO(3)、S3与伊辛对称性）在组织相图与临界行为中起何作用？

主要发现

• 在H < H∗时，自旋与磁场反向旋转，φn = φ(0)n − θ；在H > H∗时，自旋与磁场同步旋转，φn = φ(0)n + θ。
• 在两种区域之间发生一级相变，自旋角出现不连续跃迁，终止于伊辛临界点。
• 临界场预测为Hc = (J + √3D)/(gμB) × √(K/D)，对于Mn3Sn（D = 0.2J，K = 0.006J，J = 20 meV，g = 3）计算得Hc ≈ 20 T。
• 扭矩τ = 2uh sin(φ(θ) + θ)在一级相变线处不连续，且在θ = nπ/3处为零。
• 伊辛相变的临界指数在Hc附近满足ψ ∼ |ω|1/3，与平均场理论一致，预期在三维伊辛普适类中重整化为δ ≈ 4.8。
• 预测了实验信号，如一级相变线附近的奇异角向磁阻与磁滞行为，其类比于CeAlGe，且可在Mn3Sn中探测到。