[论文解读] Strong exchange anisotropy in YbMgGaO$_4$ from polarized neutron diffraction

S. Tóth, Katharina Rolfs+2 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2017

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 1被引用 10

一句话总结

本研究利用极化中子衍射揭示了自旋液体候选材料 YbMgGaO₄ 中强烈的各向异性交换相互作用，表明仅具有显著各向异性的第一近邻相互作用才能稳定基态。数据最符合具有强自旋各向异性的第一近邻 XXZ 模型，证实了长程序的缺失，并支持由内在量子涨落和外在无序驱动的量子自旋液体基态。

ABSTRACT

We measured the magnetic correlations in the triangular lattice spin-liquid candidate material YbMgGaO$_4$ via polarized neutron diffraction. The extracted in-plane and out-of-plane components of the magnetic structure factor show clear anisotropy. We found that short-range correlations persist at the lowest measured temperature of 52 mK and neutron scattering intensity is centered at the $M$ middle-point of the hexagonal Brillouin-zone edge. Moreover, we found pronounced spin anisotropy, with different correlation lengths for the in-plane and out-of-plane spin components. When comparing to a self-consistent Gaussian appoximation, our data clearly support a model with only first-neighbor coupling and strongly anisotropic exchanges.

研究动机与目标

• 确定 YbMgGaO₄ 中磁交换相互作用的性质，该材料是具有有效自旋-1/2 三角晶格的自旋液体候选材料。
• 通过测量各向异性自旋关联，解决基态是量子自旋液体还是有序相的争议。
• 通过将实验数据与理论模型进行比较，并采用自洽高斯近似（SCGA），确定正确的自旋哈密顿量。
• 区分内在量子涨落与外在位点无序（Mg/Ga）在稳定自旋液体态中的作用。
• 为未来理论研究提供对磁哈密顿量的确定性实验约束。

提出的方法

• 在法国伊林研究所（ILL）的 D7 仪器上，于 52 mK 温度下对单晶 YbMgGaO₄ 进行极化中子衍射实验。
• 采用 xyz 极化分析方法，分别测量自旋-自旋等时关联函数的面内（Syy）和面外（Szz）分量。
• 在自旋翻转（SF）和非自旋翻转（NSF）通道中收集数据，以分离磁散射与核散射及背景贡献。
• 采用自洽高斯近似（SCGA）模拟候选哈密顿量的自旋关联，包括仅含第一近邻和额外各向异性相互作用的模型。
• 将实验测得的自旋结构因子与 SCGA 模拟结果进行比较，以识别最佳拟合模型，采用有效温度（120 mK）以考虑热展宽效应。
• 分析 10 K 时结构因子的角依赖性，以评估顺磁贡献和磁形因子各向异性。

实验结果

研究问题

• RQ1 YbMgGaO₄ 中的交换相互作用性质是什么？是否表现出强烈的各向异性？
• RQ2 哪种自旋哈密顿量——仅含第一近邻或包含更远邻或伪偶极项——最能描述实验数据？
• RQ3 内在量子涨落与外在位点无序（Mg/Ga）在长程磁序缺失中的贡献程度如何？
• RQ4 面内与面外自旋关联长度有何不同？这对应于何种交换各向异性？
• RQ5 观测到的弥散散射及长程序缺失能否由具有强各向异性的第一近邻 XXZ 模型解释？

主要发现

• 磁弥散散射以六角布里渊区的 M 点为中心，表明短程关联在 52 mK 时仍持续存在。
• 自旋结构因子的面内（Syy）和面外（Szz）分量表现出明显的各向异性，各分量具有不同的关联长度。
• 自洽高斯近似（SCGA）表明，模型 B——仅包含具有强各向异性（Jzz ≠ J±±）的第一近邻相互作用——最能复现实验数据。
• 模型 A（包含额外的伪偶极相互作用）与数据的吻合度显著较差，尤其在结构因子的角调制上表现不佳。
• 实验数据的绝对强度与 SCGA 模拟结果一致，表明无显著背景或仪器污染。
• 10 K 时的顺磁相表现出调制的结构因子，归因于 Yb³⁺ 在 D₃d 对称性下的各向异性磁形因子，而非长程序。