[论文解读] Fractional spin excitations in the infinite-layer cuprate CaCuO$_2$

Leonardo Martinelli, Davide Betto+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 5

一句话总结

本研究通过共振非弹性X射线散射（RIXS）在无限层铜氧化物CaCuO₂中提供了分数化自旋激发——自旋on对——的实验证据。结果表明，在(1/2, 0)点附近存在一个宽广的自旋1/2激发连续谱，其磁谱权重占比约80%，显著由ΔS = 1特性主导，并与较大的环交换耦合Jc ≈ J₁相关，表明由于强多体位点相互作用，量子磁性显著增强。

ABSTRACT

We use resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) to investigate the magnetic dynamics of the infinite-layer cuprate CaCuO2. We find that close to the (1/2,0) point the single magnon decays into a broad continuum of excitations accounting for 80% of the total magnetic spectral weight. Polarization resolved RIXS spectra reveal the overwhelming dominance of spin-flip ($ΔS = 1$) characterof this continuum with respect to the $ΔS= 0$ multimagnon contributions. Moreover, its incident energy dependence is identical to that of the magnon, supporting a common physical origin. We propose that the continuum originates from the decay of the magnon into spinon pairs, and we relate it to the exceptionally high ring exchange $J_\mathrm{c} \sim J_1$ of CaCuO2. In the infinite layer cuprates long-range and multi-site hopping integrals are pivotal and amplify the 2D quantum magnetism effects in spite the 3D antiferromagnetic Néel order.

研究动机与目标

• 研究无限层铜氧化物CaCuO₂的磁激发谱，超越传统的自旋波理论。
• 确定在(1/2, 0)点处异常磁谱权重的来源是否为分数化自旋激发或多体磁子过程。
• 阐明环交换与多体位点超交换在增强二维正方晶格反铁磁体中量子涨落中的作用。
• 在具有强量子磁效应的层状铜氧化物中，建立观测到的连续谱与自旋on对激发之间的直接关联。

提出的方法

• 在欧洲核子研究中心（ESRF）ID32束线使用ERIXS谱仪进行共振非弹性X射线散射（RIXS）实验。
• 利用偏振分辨RIXS测量以区分ΔS = 1（自旋翻转）与ΔS = 0（多体磁子）激发。
• 分析入射能量依赖的RIXS谱，以确认磁子与连续谱具有共同起源。
• 在掠入射与掠出射几何构型下采集动量分辨RIXS数据，以绘制完整的磁激发谱。
• 基于包含环交换（Jc）的扩展Hubbard模型进行理论建模，以解释谱学特征。
• 通过(1/2, 0)与(1/4, 1/4)点处磁子能量的定量分析，提取出Jc/J₁ ≈ 1。

Figure 1: (a) Scheme of CuO 2 planes, with Oxygen atoms depicted in red and Copper atoms in blue. Coloured lines highlight the magnetic coupling of the Hubbard-like Hamiltonian as explained in the text. (b) Sketch of CaCuO 2 crystal structure and experimental geometry used in the RIXS experiments, a

实验结果

研究问题

• RQ1 CaCuO₂中(1/2, 0)点处的异常磁谱权重是否源于分数化自旋on对，而非多体磁子过程？
• RQ2 环交换耦合Jc在增强无限层铜氧化物中激发连续谱方面起何种作用？
• RQ3 RIXS谱的偏振依赖性如何区分自旋翻转（ΔS = 1）与非自旋翻转（ΔS = 0）激发？
• RQ4 连续谱的入射能量依赖性是否与磁子相同，表明其具有共同的物理起源？
• RQ5 CaCuO₂中较大的Jc/J₁比值在多大程度上解释了其相比其他铜氧化物的增强分数化行为？

主要发现

• 在(1/2, 0)点附近，约80%的总磁谱权重分布在宽广的连续谱中，表明与单磁子行为存在显著偏离。
• 偏振分辨RIXS显示，该连续谱主要由ΔS = 1（自旋翻转）特性主导，排除了局域双磁子贡献的可能性。
• 连续谱的入射能量依赖性与磁子一致，支持其具有共同起源，并表明为直接RIXS过程。
• 环交换耦合Jc被确定约为近邻交换耦合J₁（Jc ≈ J₁），为已知铜氧化物中最大值。
• 增强的连续谱与抑制的多体磁子特征可归因于强多自旋耦合，特别是较大的Jc，其促进了部分自旋on的解禁闭。
• 结果提供了层状二维铜氧化物中分数化自旋激发的首个直接实验证据，支持了量子自旋系统中自旋on对形成理论预测。

Figure 2: (a) RIXS scans at different momenta, acquired in grazing-out geometry and $\pi$ polarization. (b) Evolution of RIXS spectra along the $\Sigma\rightarrow X$ line. Scans have been normalized to spin-flip cross section. (c) Measured dispersion of the magnon peak along the high-symmetry lines