[论文解读] Soft dipolar spin ice physics and the ordered phase of the frustrated Tb2Sn2O7 pyrochlore magnet

Paul McClarty, Pawel Stasiak+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2010

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 2被引用 3

一句话总结

该论文推导出一个针对Tb2Sn2O7的有效赝自旋-1/2哈密顿量，该哈密顿量包含了虚晶场激发效应，表明软性偶极相互作用导致了q=0序的两入两出自旋冰基态及自旋倾斜——与实验观测一致。对软性偶极自旋冰模型的蒙特卡罗模拟证实，存在一种长程有序相，其特征与Tb2Sn2O7相似，以及一种竞争性的类似自旋冰的冻结相。

ABSTRACT

From a microscopic model for the pyrochlore antiferromagnet Tb2Sn2O7, including the crystal field Hamiltonian and interactions between the angular momenta, we compute an effective pseudospin-1/2 Hamiltonian Heff$ that incorporates perturbatively in the effective interactions the effect of excited crystal field levels. We obtain the semiclassical ground states of Heff and find a region of parameter space with a two-in/two-out spin ice configuration on each tetrahedron with ordering wavevector q=0 and with spins canted away from the local Ising axes as found in Tb2Sn2O7. This ground state can also be obtained from a dipolar spin ice model in which the Ising constraint is softened. Monte Carlo simulations on the latter model reveal a region of the phase diagram with spin ice-like freezing and another with a transition into Tb2Sn2O7-type long range order. We comment on the differences between Tb2Sn2O7 and the perplexing spin liquid Tb2Ti2O7.

研究动机与目标

• 推导一个低能有效哈密顿量$H_{\rm eff}$，以捕捉虚晶场激发的影响。
• 利用微观模型解释实验观测到的Tb2Sn2O7中具有倾斜自旋的q=0长程有序相。
• 研究Tb2Sn2O7中观测到的有序是否源于偶极相互作用和单离子各向异性，而无需依赖自旋-晶格耦合。
• 探索软性偶极自旋冰模型的相图，并将其行为与Tb2Sn2O7及自旋液体Tb2Ti2O7进行比较。
• 确定自旋冰样冻结与长程有序共存或竞争的条件，适用于稀土系尖晶石氧化物。

提出的方法

• 从包含晶场、交换和偶极相互作用的微观模型推导出有效赝自旋-1/2哈密顿量$H_{\rm eff}$。
• 使用微扰理论将虚晶场激发纳入$H_{\rm eff}$，以考虑激发的晶场能级。
• 计算$H_{\rm eff}$的半经典基态，以识别满足两入两出自旋冰规则且具有q=0序的相。
• 引入一个玩具模型$H_{\rm m}$，即具有可调单离子各向异性的软性偶极自旋冰模型（SDSIM），以探索相竞争行为。
• 对$H_{\rm m}$进行蒙特卡罗模拟，以绘制相图，包括向长程有序和自旋冰样冻结相的转变。
• 通过分析序参量（$Y_{\mathbf{q}=0}$）、比热和不同系统尺寸下的转变温度，识别相边界和交叉转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 Tb2Sn2O7中具有q=0长程有序和倾斜自旋的相的微观起源是什么？
• RQ2 是否可以在不依赖自旋-晶格耦合的前提下，用偶极相互作用和单离子各向异性解释Tb2Sn2O7中观测到的磁序？
• RQ3 竞争性相互作用——交换、偶极和单离子各向异性——如何决定稀土系尖晶石氧化物的相图？
• RQ4 Tb2Ti2O7中的自旋液体行为是否与Tb2Sn2O7中观测到的冻结转变相关，还是两者为独立现象？
• RQ5 在稳定偶极自旋冰模型中长程有序方面，软化Ising约束起到何种作用？

主要发现

• 从微观模型推导出的有效哈密顿量$H_{\rm eff}$再现了Tb2Sn2O7中观测到的两入两出自旋冰基态，具有q=0序和自旋倾斜。
• 具有可调各向异性的软性偶极自旋冰模型（SDSIM）在宽广的参数范围内再现了Tb2Sn2O7的长程有序相。
• SDSIM的蒙特卡罗模拟揭示了在有限温度下进入类似Tb2Sn2O7的长程有序相，且在$X^* \approx 0.35$处出现从冻结到真正长程有序的交叉转变。
• SDSIM的相图显示，当偏离经典海森伯反铁磁自旋液体点时，多个相呈发散状展开。
• 该研究识别出一个具有自旋冰样冻结的区域和另一个具有有限温度长程有序的区域，表明自旋-晶格耦合并非解释Tb2Sn2O7中有序相的必要条件。
• 该模型为Tb2Sn2O7和Tb2Ti2O7中持久的低温自旋动力学提供了合理的解释，表明此类动力学可能与具有类似各向异性的材料中的自旋冰样冻结共存。