[论文解读] Spin Freezing In The Cuprate S=1/2 Antiferromagnetic Chain Compound SrCuO2

Igor Zaliznyak, C. Broholm+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 1998

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 1

一句话总结

利用磁性中子散射，该研究在正交晶系 SrCuO2 中于 Tc1 = 5.0(4) K 以下识别出自旋冻结转变，此时自旋关联在超过 200 ps 的时间尺度上冻结。该体系在 c-轴和 a-轴方向表现出各向异性的长程反铁磁序，b-轴方向仅有两个晶格周期，且在 Tc2 = 1.5 K 处出现磁矩的尖锐峰，归因于 a-c 平面内条纹状磁缺陷的缓慢动力学。

ABSTRACT

Using magnetic neutron scattering we characterize an unusual low temperature phase in orthorhombic SrCuO2. The material contains zigzag spin ladders formed by pairs of S=1/2 chains (J=180 meV) coupled through a weak frustrated interaction |J'|<0.1J. At T<Tc1=5.0(4)K an elastic peak develops in a gapless magnetic excitation spectrum indicating spin freezing on a time scale larger than 200 picoseconds. While the frozen state has long range commensurate antiferromagnetic order along the chains with the correlation length exceeding 200 lattice periods along the c-axis and a substantial correlation length of 60(25) spacings along the a-axis perpendicular to the zigzag plane, only 2 lattice units are correlated along the b-axis which is the direction of the frustrated interactions. The frozen magnetic moment of each Cu ion is very small, 0.033(7) Bohr magneton even at T=0.35K, and has unusual temperature dependence with a cusp at Tc2=1.5K reminiscent of a phase transition. We argue that slow dynamics of stripe-like cooperative magnetic defects in tetragonal a-c planes yield this anisotropic frozen state.

研究动机与目标

• 研究 S=1/2 反铁磁自旋链化合物 SrCuO2 中低温相变的本质。
• 表征磁激发谱并确定系统中自旋冻结的起始点。
• 确定自旋关联的各向异性和 b-轴方向受阻相互作用的作用。
• 理解磁矩异常温度依赖性的起源，包括在 Tc2 = 1.5 K 处的尖锐峰。
• 探讨所观察到的冻结磁态的微观机制，特别是协同磁缺陷的作用。

提出的方法

• 采用磁性中子散射探测 SrCuO2 在低温下的动态与静态自旋关联。
• 通过测量弹性散射强度，检测在 Tc1 = 5.0(4) K 以下长程磁序的形成。
• 沿 a-、b- 和 c-轴提取关联长度，以评估自旋有序的各向异性。
• 将每个 Cu 离子的磁矩温度依赖性测量至 0.35 K，以识别异常行为。
• 通过数据分析推断在四角形 a-c 平面内存在条纹状协同磁缺陷的缓慢动力学。
• 理论解释聚焦于锯齿形自旋梯链之间受阻相互作用（|J'| < 0.1J），其中 J = 180 meV。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 Tc1 = 5.0(4) K 以下，无能隙磁激发谱中为何出现弹性峰？
• RQ2 为何自旋关联长度在不同结晶学方向上表现出如此强烈的差异，特别是 b-轴方向仅显示两个晶格周期？
• RQ3 在 Tc2 = 1.5 K 处磁矩出现尖锐峰的起源是什么，它与自旋冻结转变有何关联？
• RQ4 b-轴方向的受阻相互作用如何影响冻结磁态的形成与动力学？
• RQ5 条纹状协同磁缺陷在稳定各向异性自旋冻结相中起何种作用？

主要发现

• 在 Tc1 = 5.0(4) K 以下出现弹性峰，表明自旋冻结时间尺度超过 200 皮秒。
• c-轴方向自旋关联长度超过 200 个晶格周期，a-轴方向为 60(25) 个周期，表明 a-c 平面内存在强长程有序。
• b-轴方向仅存在两个晶格周期的关联，与受阻相互作用的存在一致。
• 在 0.35 K 时，每个 Cu 离子的冻结磁矩为 0.033(7) 玻尔磁子，显著低于 S=1/2 的理论值。
• 磁矩在 Tc2 = 1.5 K 处出现尖锐峰，表明存在明显的相变或交叉转变。
• 各向异性的冻结态归因于四角形 a-c 平面内条纹状协同磁缺陷的缓慢动力学。