[论文解读] Neutron diffraction investigation of the H-T phase diagram above the longitudinal incommensurate phase of BaCo2V2O8

B. Grenier, V. Simonet+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2015

Advanced Condensed Matter Physics被引用 4

一句话总结

本研究利用单晶中子衍射，研究了沿Ising c轴施加最高12 T磁场时，BaCo2V2O8在强磁场、低温下的相图。在约8.5 T以上识别出一种自旋倾斜的横向反铁磁（TAF）序，其由先前已知的纵向非公度自旋密度波（LSDW）相转变而来。该TAF相与Tomonaga-Luttinger液体理论一致，但因预测的临界场与NMR中观测到的共存非公度涨落之间存在差异，需进一步修正。

ABSTRACT

The quasi-one-dimensional antiferromagnetic Ising-like compound BaCo2V2O8 has been shown to be describable by the Tomonaga-Luttinger liquid theory in its gapless phase induced by a magnetic field applied along the Ising axis. Above 3.9 T, this leads to an exotic field-induced low-temperature magnetic order, made of a longitudinal incommensurate spin-density wave, stabilized by weak interchain interactions. By single-crystal neutron diffraction we explore the destabilization of this phase at a higher magnetic field. We evidence a transition at around 8.5 T towards a more conventional magnetic structure with antiferromagnetic components in the plane perpendicular to the magnetic field. The phase diagram boundaries and the nature of this second field-induced phase are discussed with respect to previous results obtained by means of nuclear magnetic resonance and electron spin resonance, and in the framework of the simple model based on the Tomonaga-Luttinger liquid theory, which obviously has to be refined in this complex system.

研究动机与目标

• 确定沿Ising c轴施加高磁场时，BaCo2V2O8的磁相图。
• 识别在8.5 T以上场诱导磁序的性质，该现象此前通过NMR检测但尚未完全表征。
• 调和基于TLL的理论模型与实验观测之间的差异，特别是横向反铁磁相转变场低于理论预测的问题。
• 研究非公度涨落的作用，以及在高场区域可能与横向序共存的机制。

提出的方法

• 在沿c轴施加最高12 T的磁场下，对单晶进行中子衍射，以探测长程磁序。
• 通过分析磁结构因子，确定有序相的波矢和对称性。
• 将数据与弱耦合S=1/2 XXZ链的Tomonaga-Luttinger液体（TLL）理论预测进行比较。
• 利用磁化率拟合得到的参数ε=0.46和J′/J=0.00138计算理论临界场H*，但亦考虑了更新的参数值（ε=0.56，J′/J=0.04）以作对比。
• 参考先前研究（Klanjšek等，2015）的NMR结果，以定位观测到的相变与涨落行为。
• 评估结构复杂性（包括螺旋链和各向异性耦合）作为偏离简单TLL模型可能原因的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在纵向磁场作用下，BaCo2V2O8在8.5 T以上稳定存在的磁序性质是什么？
• RQ2 为何横向反铁磁相的转变场H*低于使用标准参数的TLL模型预测值？
• RQ3 NMR中观测到的非公度自旋涨落与中子衍射在8.5–12 T范围内识别出的长程有序之间有何关联？
• RQ4 弱耦合链的简单TLL模型在多大程度上无法描述BaCo2V2O8的完整H-T相图？
• RQ5 横向AF序与非公度涨落的共存是否可解释中子衍射与NMR观测之间的差异？

主要发现

• 在H* ≈ 8.5 T以上识别出一种自旋倾斜的横向反铁磁（TAF）序，其波矢与垂直于磁场方向平面内的自旋交错序一致。
• 从纵向非公度自旋密度波（LSDW）相向TAF相的转变场显著低于使用先前参数的TLL模型预测的15 T。
• TAF相与TLL框架一致，但临界场的差异表明，有效自旋链间耦合J′/J可能高于原始模型假设的值。
• 在H*以上，NMR中仍可观测到非公度涨落，表明长程TAF序与动态非公度自旋涨落可能存在共存。
• 观测到的相边界与Okunishi和Suzuki的平均场TLL模型不一致，表明必须在改进的理论描述中引入量子涨落和复杂的链间耦合。
• BaCo2V2O8的结构复杂性（包括螺旋链和多轴各向异性）可能增强了有效链间耦合，从而解释了TAF相在较低磁场下被稳定的现象。