[论文解读] Observation of Two-dimensional Spin Fluctuations in the Bilayer Ruthenate Sr3Ru2O7 by Inelastic Neutron Scattering

L. Capogna, E. M. Forgan+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2002

Advanced Condensed Matter Physics被引用 4

一句话总结

本研究通过非弹性中子散射首次观测到双层钌酸锶Sr3Ru2O7中二维非公度自旋涨落。这些涨落的波矢最强位于费米面嵌套矢量附近，且随温度从高温时的主导铁磁性演变为低温时的反铁磁性，揭示了竞争的磁相互作用和较低的能量尺度，暗示其与该材料反铁磁量子临界行为的关联。

ABSTRACT

We report the first observation of two-dimensional incommensurate magnetic fluctuations in the layered metallic perovskite Sr3Ru2O7. The wavevectors where the magnetic fluctuations are strongest are different from those observed in the superconducting single layer ruthenate Sr2RuO4 and appear to be determined by Fermi surface nesting. No antiferromagnetic ordering is observed for temperatures down to 1.5K. For temperatures T<20K, the fluctuations become predominately ferromagnetic. Our inelastic neutron scattering measurements provide concrete evidence of the coexistence of competing interactions in Sr3Ru2O7 and of the low energy scale of the fluctuations.

研究动机与目标

• 研究双层钌酸锶Sr3Ru2O7中磁关联的性质，该化合物是非传统超导体Sr2RuO4的密切类似物。
• 确定Sr3Ru2O7中自旋涨落是否为公度或非公度，并研究其随温度的演化行为。
• 探究费米面嵌套在驱动这种关联电子体系中磁涨落的作用。
• 评估在高质量、化学计量比氧化物中，铁磁与反铁磁相互作用的竞争性相互作用。

提出的方法

• 在劳厄-朗之万研究所（ILL）的IN14三轴谱仪上，对高质量单晶Sr3Ru2O7进行了非弹性中子散射测量。
• 测量在基底温度（1.5 K）及高达150 K的温度范围内进行，散射在(h,k,0)和(h,0,l)倒易空间平面内进行。
• 通过洛伦兹拟合提取磁激发的能量与波矢依赖关系。
• 利用远离磁峰的波矢（如(1.48,0,0)和(0.55,0,0)）的散射数据进行背景扣除，以分离磁响应。
• 采用钌的磁形式因子确认观测到的峰具有磁起源。
• 通过3.1 meV处横向声学声子的强度将数据归一化至绝对单位，精度约为20%。

实验结果

研究问题

• RQ1 Sr3Ru2O7中低能自旋涨落的性质（公度或非公度）是什么？
• RQ2 Sr3Ru2O7中磁涨落的波矢如何与Sr2RuO4中的波矢及费米面嵌套矢量比较？
• RQ3 磁散射的温度演化行为如何？是否表明存在从铁磁到反铁磁特性的转变？
• RQ4 观测到的涨落是否与Sr3Ru2O7中的反铁磁量子临界点相关？
• RQ5 电子关联与费米面拓扑在驱动观测到的自旋涨落中起什么作用？

主要发现

• 在1.5 K时观测到两个非公度自旋涨落峰，波矢分别为Q ≈ (1±0.25, 0, 0)和(1±0.09, 0, 0)，后者最强且与Ru磁形式因子一致。
• 磁涨落在(h,0,0)方向最强，而非(h,h,0)方向，这与Sr2RuO4的行为不同。
• 在T ≳ 20 K时，涨落主要呈现铁磁性，(1,0,0)处出现宽峰，表明磁性质发生转变。
• 随着温度升高，非公度峰消失，而(1,0,0)峰增强，暗示从反铁磁主导向铁磁主导的转变。
• 中子散射响应的温度依赖性与宏观测量结果一致：静态磁化率在约20 K处出现峰值，纵向磁阻率符号发生改变。
• 数据支持一种竞争性相互作用共存的图像——铁磁与反铁磁相互作用并存，且涨落的低能尺度指向量子临界点附近。