[论文解读] Magnetically originated phonon-glass-like behavior in Tb_2Ti_2O_7 single crystal

Q. J. Li, Z. Y. Zhao+5 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2013

Theoretical and Computational Physics被引用 10

一句话总结

本研究证明，Tb₂Ti₂O₇单晶在低温下表现出类似玻璃的声子导热系数，这是由于强自旋涨落引起的声子散射所致，其声子平均自由程在4 K时短至20 nm——比非晶材料还短，且在0.3 K时比样品尺寸小3–4个数量级。磁性起源通过磁场依赖的热导率测量以及与非磁性Y₂Ti₂O₇和TbYTi₂O₇的对比得到证实。

ABSTRACT

We report a study on the thermal conductivity (κ) of Tb_2Ti_2O_7 single crystals at low temperatures. It is found that in zero field this material has an extremely low phonon thermal conductivity in a broad temperature range. The mean free path of phonons is even smaller than that of amorphous materials and is 3--4 orders of magnitude smaller than the sample size at 0.3 K. The strong spin fluctuation of the spin-liquid state is discussed to be the reason of the strong phonon scattering. The magnetic-field dependence of κand comparison with Y_2Ti_2O_7 and TbYTi_2O_7 confirm the magnetic origin of this phonon-glass-like behavior.

研究动机与目标

• 研究Tb₂Ti₂O₇单晶在亚开尔文温度下的超低热导率的起源。
• 确定磁涨落而非结构缺陷是否是导致观测到的声子散射的主要原因。
• 阐明自旋液体样行为和强自旋-晶格耦合在抑制声子输运中的作用。
• 通过与非磁性Y₂Ti₂O₇和固溶体TbYTi₂O₇的比较，分离出磁性对热阻的贡献。
• 探索热导率的磁场依赖性，以揭示磁性散射机制。

提出的方法

• 采用受控氧压和生长速率的浮区法生长出高质量的Tb₂Ti₂O₇、Y₂Ti₂O₇和TbYTi₂O₇单晶。
• 利用标准温差法，在零场和高达14 T的外加磁场下，将热导率(κ)测量至0.3 K。
• 分析κ的磁场依赖性，以区分磁性和非磁性散射机制。
• 通过测量比热以探测晶体场能级和磁激发，特别关注[111]取向磁场下的情况。
• 通过比较Tb₂Ti₂O₇与Y₂Ti₂O₇（非磁性）和TbYTi₂O₇（磁性固溶体）的κ，分离出Tb³⁺自旋涨落的作用。
• 通过塞曼分裂的晶体场双重态考虑共振声子散射，估算出约0.2 T和约16 T的场依赖散射。

实验结果

研究问题

• RQ1 Tb₂Ti₂O₇在亚开尔文温度下为何表现出异常低的声子热导率？
• RQ2 Tb₂Ti₂O₇中观测到的类似玻璃的声子行为是否主要由磁涨落引起，而非结构缺陷？
• RQ3 沿[111]方向施加磁场如何影响Tb₂Ti₂O₇中的声子输运？
• RQ4 晶体场激发和自旋-晶格耦合在该体系中对声子散射的贡献有多大？
• RQ5 Tb₂Ti₂O₇的热导率与非磁性Y₂Ti₂O₇和磁性固溶体TbYTi₂O₇相比如何？

主要发现

• 在4 K时，Tb₂Ti₂O₇中的声子平均自由程短至20 nm，且在0.3 K时比样品尺寸小3–4个数量级。
• Tb₂Ti₂O₇的热导率与非晶材料相当，表明其具有类似玻璃的声子行为。
• 沿[111]方向施加磁场后κ增大，表明磁散射被抑制，从而证实声子散射的磁性起源。
• 与Y₂Ti₂O₇（非磁性）的对比显示κ显著更高，证实磁涨落是主要散射机制。
• 与TbYTi₂O₇的对比显示κ处于中间值，支持Tb³⁺自旋涨落对声子散射的关键作用。
• 在6 T和10.5 T处观测到κ的场致异常，归因于晶体场激发引起的共振声子散射，尽管估算的共振场（0.2 T和16 T）与观测结果不完全匹配。