[论文解读] Magnon Dispersion in the Field-Induced Magnetically Ordered Phase of TlCuCl3

M. Matsumoto, B. Normand+2 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2002

Optical properties and cooling technologies in crystalline materials被引用 12

一句话总结

该论文提出了一种包含最低和最高三重态磁振子模式的键算符理论，用于描述TlCuCl3中的场诱导磁序。结果表明，自旋倾斜磁序源于磁振子的玻色-爱因斯坦凝聚，成功再现了观测到的无能隙Goldstone模、场依赖的磁振子色散关系以及磁化曲线，且在零温下与中子散射和磁化率实验数据具有定量一致性。

ABSTRACT

The magnetic properties of the interacting dimer system TlCuCl3 are investigated within a bond-operator formulation. The observed field-induced staggered magnetic order perpendicular to the field is described as a Bose condensation of magnons which are linear combinations of dimer singlet and triplet modes. This technique accounts for the magnetization curve and for the field dependence of the magnon dispersion curves observed by high-field neutron scattering measurements.

研究动机与目标

• 开发一种超越单模近似的TlCuCl3中场诱导磁序的微观理论。
• 解释高场中子散射实验中观测到的完整磁振子色散关系和磁化行为。
• 阐明由于场诱导有序相中旋转对称性破缺而产生的无能隙Goldstone模的起源。
• 将理论预测与TlCuCl3和KCuCl3中磁化率和激发能隙的实验数据相协调。

提出的方法

• 采用保留所有四种二聚体态（单重态和三重态）的键算符形式，从而能够处理多个磁振子模式。
• 对自旋哈密顿量应用平均场解耦方案，包含由晶体结构决定的层间和层间耦合。
• 引入Bogoliubov变换以对角化哈密顿量，并提取有序相中的集体激发模式。
• 将场诱导的自旋倾斜序视为由单重态和三重态模式相干叠加形成的磁振子玻色-爱因斯坦凝聚。
• 使用完整的自旋哈密顿量，其中参数基于实验数据确定，包括J、J1、J2'、J3和J3'耦合。
• 自洽求解平均场方程，以确定凝聚幅以及激发能隙和磁化率的场依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 包含更高三重态模式如何影响TlCuCl3中场诱导磁序的描述？
• RQ2 场诱导有序相中观测到的无能隙Goldstone模的起源是什么？
• RQ3 场依赖的磁振子色散曲线和能隙如何从基本自旋相互作用中产生？
• RQ4 为何TlCuCl3中磁化率平行于场方向时偏离线性，而KCuCl3中却保持近似线性？
• RQ5 涉及最高三重态模式的层间相互作用在多大程度上抑制了Hc附近的平行磁化率？

主要发现

• 该理论成功再现了实验观测到的三种磁振子模式的场依赖关系，包括在Hc处E_g0和E_g-能隙斜率的突变。
• 在H > Hc时，最低激发模式在Q附近保持无能隙且呈线性关系，证实了由于旋转对称性破缺而存在的Goldstone模。
• 自旋倾斜矩M⊥²在Hc和Hs附近与H呈线性关系，表明M⊥ ∼ √(H - Hc)，与实验结果一致。
• 由于涉及t_-模式的强层间相互作用，TlCuCl3中Hc附近的平行磁化率M∥被抑制，导致其不呈现线性H依赖关系。
• 在Hs处，最低模式在Q附近的k依赖关系再次变为二次型，且纯单重态激发模式中重新打开能隙。
• 理论预测临界场Hc = 5.6 T，与TlCuCl3的实测值5.7 T高度一致。