[论文解读] Interplay between localized and itinerant d electrons in a frustrated metallic antiferromagnet, 2H-AgNiO2

A. I. Coldea, A. Carrington+12 more|ArXiv.org|Aug 28, 2009

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究揭示了在几何阻挫的金属反铁磁体 2H-AgNiO2 中，由三角晶格上的局域 S=1 d 电子与蜂窝网络中的巡游 d 电子之间相互作用所驱动的磁场诱导磁相级联。在强磁场下，费米面发生重构并出现磁性断裂轨道，由于强自旋涨落，有效电子质量增强了约 3 倍，展示了在阻挫体系中局域磁性与巡游电子动力学之间的一种新颖相互作用。

ABSTRACT

We report the electronic and magnetic behaviour of the frustrated triangular metallic antiferromagnet 2H-AgNiO2 in high magnetic fields (54 T) using thermodynamic and transport measurements. Here localized d electrons are arranged on an antiferromagnetic triangular lattice nested inside a honeycomb lattice with itinerant d electrons. When the magnetic field is along the easy axis we observe a cascade of field-induced transitions, attributed to the competition between easy-axis anisotropy, geometrical frustration and coupling of the localized and itinerant system. The quantum oscillations data suggest that the Fermi surface is reconstructed by the magnetic order but in high fields magnetic breakdown orbits are possible. The itinerant electrons are extremely sensitive to scattering by spin fluctuations and a significant mass enhancement (~ 3) is found.

研究动机与目标

• 研究在阻挫金属反铁磁体 2H-AgNiO2 中局域与巡游 d 电子之间的相互作用。
• 理解易轴各向异性和几何阻挫在稳定磁场诱导磁相中的作用。
• 利用量子振荡探测高磁场下费米面重构与磁性断裂轨道。
• 量化在竞争磁序存在下，自旋涨落引起的电子有效质量增强。

提出的方法

• 采用高达 56 T 的高场扭矩磁测量，检测磁相变及磁化率中的各向异性异常。
• 通过 de Haas-van Alphen 效应进行量子振荡测量，以重构不同磁相中的费米面。
• 利用弛豫法测量比热，提取电子比热并估算质量增强。
• 进行输运测量（层间电阻），将电子响应与磁相变关联。
• 采用从头算能带结构计算，模拟反铁磁相与高场自旋极化相中的费米面。
• 应用 Lifshitz-Kosevich 分析，从量子振荡频率中提取有效电子质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 局域与巡游 d 电子之间的相互作用如何驱动 2H-AgNiO2 中的磁场诱导相变？
• RQ2 在磁序与高磁场存在下，费米面重构的性质是什么？
• RQ3 在该阻挫体系中，观测到的有效电子质量在多大程度上由自旋涨落增强？
• RQ4 能否在高场下观测到磁性断裂轨道？它们揭示了电子结构的哪些信息？
• RQ5 局域 Ni1 自旋与巡游电子之间的耦合如何改变电子响应与磁化率？

主要发现

• 在沿 c 轴方向施加高磁场时，观察到 13.5 T、20 T、28.8 T 和 38 T 处的磁场诱导磁相级联，表明复杂的磁相竞争。
• 量子振荡揭示了磁序引起的费米面重构，其中 α 轨道的最大极值面积为 1.7 kT，与实验观测一致。
• α 轨道的有效质量从约 2.3 me 增加到约 3.2 me，表明存在强烈的电子关联效应。
• γ 轨道的有效质量仅从约 6.0 me 增加到约 6.6 me（从相 I 到相 III），尽管磁场很高，仍仅表现出适度重整化。
• 从比热数据中提取出约 2.6 的质量增强因子，与强自旋涨落一致，并在相 III 中估算出高达 3.21 meV 的直接交换耦合。
• 高场下 γ 振荡的持续存在表明存在磁性断裂轨道，暗示重构磁布里渊区边界处存在小能隙。