[论文解读] Antiferromagnetic Spin Ice Correlations at (1/2,1/2,1/2) in the Ground State of the Pyrochlore Magnet Tb2Ti2O7

Katharina Fritsch, Kate A. Ross+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2012

Advanced Condensed Matter Physics被引用 4

一句话总结

本研究在70 mK下揭示了Tb₂Ti₂O₇中短程反铁磁自旋冰关联，其在倒空间中的(1/2,1/2,1/2)处出现弥散弹性散射，表明在约两个常规晶胞范围内存在两入两出自旋构型。该信号与低能非弹性散射之间存在0.06–0.08 meV的能隙，且在小磁场下被抑制，支持一种具有约12°自旋倾角的量子自旋冰基态。

ABSTRACT

We present high-resolution single crystal time-of-flight neutron scattering measurements on the candidate quantum spin liquid pyrochlore Tb2Ti2O7 at low temperature and in a magnetic field. At ~70 mK and in zero field, Tb2Ti2O7 reveals diffuse magnetic elastic scattering at (1/2,1/2,1/2) positions in reciprocal space, consistent with short-range correlated regions based on a two-in, two-out spin ice configuration on a doubled conventional unit cell. This elastic scattering is separated from very low-energy magnetic inelastic scattering by an energy gap of ~0.06-0.08 meV. The elastic signal disappears under the application of small magnetic fields and upon elevating temperature. Pinch-point-like elastic diffuse scattering is observed near (1,1,1) and (0,0,2) in zero field at ~70 mK, in agreement with Fennell et al. (Ref. 1), supporting the quantum spin ice interpretation of Tb2Ti2O7.

研究动机与目标

• 为解决在强几何阻挫下，尽管温度低至50 mK仍未表现出长程磁序的pyrochlore磁性体Tb₂Ti₂O₇的基态本质。
• 研究低温下是否存在短程反铁磁自旋冰关联，特别是在倒空间的(1/2,1/2,1/2)处。
• 确定弥散弹性散射的起源，并区分其与非弹性激发和晶体场效应的关系。
• 通过识别类似刺猬点的散射特征和与涌现规范结构一致的能量能隙，检验量子自旋冰模型。
• 通过在双倍晶胞上的128自旋模型，定量分析自旋关联，并推断自旋倾角。

提出的方法

• 在ISIS和NIST的DCS与LET仪器上，对单晶样品在低至70 mK的温度下进行了高分辨率时间飞行中子散射实验。
• 测量了多个能量转移（E = -0.1 至 1.8 meV）下的弹性与非弹性散射强度，数据已校正探测器效率和空容器背景。
• 采用在双倍常规晶胞上的128自旋模型，模拟了从<111>轴方向倾角约12°的两入两出自旋冰构型。
• 在倒空间中分析弥散散射图案，特别关注(H,H,L)平面以及<0,0,L>和<H,H,H>方向，以识别刺猬点特征。
• 通过沿高对称方向施加最高达4 T的磁场，研究其对磁性的依赖性，监测(1/2,1/2,1/2)和(0,0,2)处的散射。
• 使用DAVE和Mantid进行数据还原，利用HORACE软件包提取强度图和能量依赖性散射数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 Tb₂Ti₂O₇在超低温下是否在倒空间的(1/2,1/2,1/2)处表现出短程反铁磁自旋冰序？
• RQ2 在(1/2,1/2,1/2)处观测到的弹性散射是否与非弹性激发之间存在明确能隙？这对基态意味着什么？
• RQ3 施加小磁场后，(1/2,1/2,1/2)处的弹性信号如何变化？这揭示了自旋冰关联的稳定性如何？
• RQ4 (0,0,2)和(1,1,1)附近的弥散散射特征是否与量子自旋冰体系中预期的刺猬点行为一致？
• RQ5 观测到的弹性散射能否通过具有自旋倾角的两入两出自旋冰模型定量解释？推断的倾角是多少？

主要发现

• 在零磁场下70 mK时观测到(1/2,1/2,1/2)处的弥散弹性散射，表明在约两个常规pyrochlore晶胞范围内存在短程反铁磁自旋冰关联。
• 该弹性散射与低能非弹性散射之间存在清晰的0.06–0.08 meV能隙，与自旋液体或量子自旋冰基态一致。
• 当沿高对称方向施加2–4 T的小磁场时，(1/2,1/2,1/2)信号消失，表明其对自旋冰简并度的磁场诱导解除敏感。
• 在(0,0,2)和(1,1,1)附近观测到类似刺猬点的弥散弹性散射，特征为库仑型自旋冰关联，支持量子自旋冰的解释。
• 在双倍晶胞上的128自旋模型成功拟合了观测到的峰强度，得出两入两出构型中自旋相对于局部<111>轴的倾角约为12°。
• 在0.8–2.0 meV能量范围的高能非弹性散射主要由晶体场激发主导，与Tb³⁺离子态的早期研究一致。