[论文解读] Magnetic transition, long-range order, and moment fluctuations in the pyrochlore iridate Eu2Ir2O7

Songrui Zhao. J. M. Mackie, D. E. MacLaughlin+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2011

Advanced Condensed Matter Physics被引用 8

一句话总结

在Eu2Ir2O7中的μSR实验揭示了在T_M = 120 K以下存在长程共格反铁磁有序，排除了量子自旋液体和自旋玻璃基态的可能性。从2 K到低温仍保持的动态μ子自旋弛豫率λ_d表明自旋涨落异常缓慢，暗示存在奇异的低能自旋激发态密度，可能与小能隙绝缘态有关，而非几何阻挫。

ABSTRACT

Muon spin rotation and relaxation experiments in the pyrochlore iridate Eu2Ir2O7 yield a well-defined muon spin precession frequency below the metal-insulator/antiferromagnetic transition temperature TM = 120 K, indicative of long-range commensurate magnetic order and thus ruling out quantum spin liquid and spin-glass-like ground states. The dynamic muon spin relaxation rate is temperature-independent between 2 K and ~TM and yields an anomalously long Ir^{4+} spin correlation time, suggesting a singular density of low-lying spin excitations. Similar behavior is found in other pyrochlores and geometrically frustrated systems, but also in the unfrustrated iridate BaIrO3. Eu2Ir2O7 may be only weakly frustrated; if so, the singularity might be associated with the small-gap insulating state rather than frustration.

研究动机与目标

• 确定尖晶石型铱酸盐Eu2Ir2O7基态的性质，特别是其是否具有量子自旋液体或自旋玻璃态。
• 研究在金属-绝缘体/反铁磁相变温度T_M = 120 K以下的磁涨落动力学。
• 评估几何阻挫与电子关联在μSR数据中观测到的异常自旋动力学中的作用。
• 探讨持续低温自旋弛豫是否源于阻挫或小能隙绝缘态的本征电子性质。

提出的方法

• 在2–200 K温度范围内对多晶Eu2Ir2O7样品进行了时间差分μ子自旋旋转与弛豫（μSR）实验。
• 在顺磁相中施加弱纵向磁场（25 Oe），以解耦μ子自旋与核偶极场的相互作用。
• 使用双组分函数拟合早期时间的不对称性数据A(t)，以提取μ子进动频率和动态弛豫率λ_d。
• 分析λ_d随温度的变化，以探测自旋涨落动力学并识别临界慢化或奇异行为。
• 将结果与其它阻挫和非阻挫铱酸盐（如BaIrO3）进行比较，以确定持续弛豫的起源。
• 利用直流磁化率和电阻率数据作为T_M相变及小能隙能量Δ_g ≈ 10 meV的辅助证据。

实验结果

研究问题

• RQ1 Eu2Ir2O7是否表现出长程磁序，还是为量子自旋液体或自旋玻璃基态？
• RQ2 在低温下持续存在的动态μ子自旋弛豫率λ_d的成因是什么？是源于几何阻挫还是电子关联？
• RQ3 在T_M以上λ_d未出现临界慢化，是否表明其为平均场型相变？
• RQ4 异常自旋动力学是否与小能隙绝缘态有关，而非自旋阻挫？
• RQ5 Eu2Ir2O7中的行为与非阻挫铱酸盐（如BaIrO3）相比如何？这对弛豫起源意味着什么？

主要发现

• 在T_M = 120 K以下观察到明确的μ子自旋进动频率，证实了长程共格反铁磁有序，排除了自旋玻璃和量子自旋液体基态的可能性。
• 动态μ子自旋弛豫率λ_d从2 K到∼T_M保持恒定，表明自旋涨落异常缓慢，且存在奇异的低能自旋激发态密度。
• 在T_M以上未观察到自旋涨落的临界慢化，表明其相变为平均场型而非具有发散关联时间的连续相变。
• 持续的λ_d起源于电子性质，而非与Eu3+核磁矩的超精细耦合，因为Eu3+处于非磁性的J=0基态。
• 该行为在非阻挫铱酸盐BaIrO3中同样被观测到，表明几何阻挫并非异常弛豫的主要原因。
• 小能隙能量Δ_g ≈ 10 meV，与k_B T_M量级相当，暗示跨越能隙的电荷与自旋涨落可能对低能激发态密度的增强有贡献。