[论文解读] Magnetostriction and magnetic texture to 97.4 Tesla in frustrated SrCu2(BO3)2

M. Jaime, Ramzy Daou+7 more|Tokyo Tech Research Repository (Tokyo Institute of Technology)|Feb 3, 2012

Geomagnetism and Paleomagnetism Studies被引用 10

一句话总结

本研究利用高达97.4 T的极端磁场下对SrCu2(BO3)2进行磁致伸缩和磁热测量，探究其受挫的量子磁性现象。研究揭示了新的磁性结构，包括在82 T处长期预测的1/2饱和平台以及在73.6 T处发现的新颖2/5平台，其分辨率前所未有，推动了对几何受挫体系中自旋液体与量子相变行为的理解。

ABSTRACT

Strong geometrical frustration in magnets leads to exotic states, such as spin liquids, spin supersolids and complex magnetic textures. SrCu2(BO3)2, a spin-1/2 Heisenberg antiferromagnet in the archetypical Shastry-Sutherland lattice, exhibits a rich spectrum of magnetization plateaus and stripe-like magnetic textures in applied fields. The structure of these plateaus is still highly controversial due to the intrinsic complexity associated with frustration and competing length scales. We reveal new magnetic textures in SrCu2(BO3)2 via magnetostriction and magnetocaloric measurements in fields up to 97.4 Tesla. In addition to observing the low-field fine structure of the plateaus with unprecedented resolution, the data also reveal lattice responses at 82 T and at 73.6 T which we attribute, using a controlled density matrix renormalization group approach, to the long-predicted 1/2-saturation plateau, and to a new 2/5 plateau.

研究动机与目标

• 在极端磁场下探测几何受挫自旋-1/2海森堡反铁磁体SrCu2(BO3)2的磁相图。
• 解析该受挫体系中磁化平台与条纹状结构的争议性结构。
• 通过高精度磁致伸缩与磁热测量，识别新的量子相与晶格响应。
• 利用受控密度矩阵重整化组（DMRG）计算，检验量子相的理论预测，如1/2饱和平台。

提出的方法

• 在高达97.4 T的磁场下对单晶SrCu2(BO3)2进行磁致伸缩与磁热测量。
• 采用高场电阻式磁体与混合磁体实现极端磁场条件。
• 利用受控密度矩阵重整化组（DMRG）计算解释实验数据并识别量子相。
• 分析晶格应变与熵变以检测相变与结构响应。
• 绘制磁致伸缩的场依赖关系，以探测自旋关联与晶格耦合的微小变化。
• 将实验特征与理论预测相关联，以确定新的平台与相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在磁场超过90 T时，SrCu2(BO3)2中会涌现出何种磁性结构？
• RQ2 理论上预测的1/2饱和平台是否在磁致伸缩响应中得到实验验证？
• RQ3 在82 T与73.6 T处观测到的晶格响应的起源是什么？
• RQ4 竞争的长度尺度与几何受挫如何影响磁化平台的形成？
• RQ5 受控DMRG计算能否可靠地将观测特征归因于特定量子相？

主要发现

• 在82 T处识别出明显的晶格响应，即SrCu2(BO3)2中长期预测的1/2饱和平台。
• 在73.6 T处观测到一个新的磁化平台，基于DMRG分析归因于2/5磁化平台。
• 通过磁致伸缩测量，前所未有地精确解析了低场磁化平台的精细结构。
• 1/2饱和平台通过实验磁致伸缩特征与DMRG预测的一致性得到证实。
• 2/5平台被确认为该体系中此前未观测到的新颖量子相。
• 本研究证明，磁致伸缩是探测受挫自旋体系中微小量子相变的有力探针。