[论文解读] Trigonal distortion in the honeycomb iridates: Proximity of zigzag and spiral phases in Na2IrO3

Jeffrey G. Rau, Hae‐Young Kee|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2014

Advanced Condensed Matter Physics被引用 13

一句话总结

该论文提出，Na2IrO3中的三角形畸变通过引入额外的对称非对角交换项Γ′，在铁磁Kitaev极限附近稳定了之字形磁序，解释了实验观测到的自旋序，而无需引入第二近邻耦合。通过经典分析和精确对角化，该研究识别出一种由负Γ′稳定的独特FK-之字形相，其重现了中子散射和X射线散射实验中观测到的动力学结构因子的关键特征。

ABSTRACT

The Kitaev honeycomb model has been suggested as a useful starting point to describe the honeycomb iridates. However, the zigzag ordering seen in Na2IrO3 and the magnetic transition in Li2IrO3 have raised questions to their connection to the Kitaev model and to the microscopic origin of these magnetic states, given their structural similarities. Here we study how the magnetic phases near the Kitaev spin liquid are affected by the inclusion of trigonal distortion of the oxygen octahedra within a purely nearest neighbour model. Using a combination classical analysis and exact diagonalization we show that near the ferromagnetic Kitaev limit a small amount of trigonal distortion, as found in Na2IrO3, stabilizes a zigzag phase. Decreasing the distortion destabilizes the zigzag phase toward a spiral phase that may be relevant for Li2IrO3. Using semi-classical spin-wave calculations we show that this regime is qualitatively consistent with experimentally known features of the dynamical structure factor in Na2IrO3 and speculate on implications for Li2IrO3.

研究动机与目标

• 理解氧八面体中的三角形畸变如何影响蜂窝状铱氧化物（如Na2IrO3）中的磁序。
• 确定是否仅包含三角形畸变的最小近邻自旋模型可解释观测到的之字形磁序，而无需引入第二或第三近邻耦合。
• 评估所得相态对Li2IrO3的相关性，其三角形畸变程度较低。
• 将理论自旋波谱与实验的非弹性中子散射和RIXS数据进行比较。
• 阐明对称非对角交换项Γ′在铁磁Kitaev极限附近稳定之字形相中的作用。

提出的方法

• 通过群对称性和微观分析，将Heisenberg-Kitaev-Γ模型推广以包含三角形畸变效应，引入一个新的对称非对角交换项Γ′。
• 采用经典模拟退火方法，绘制在Kitaev极限（AFK和FK）附近的相图，作为J、K、Γ和Γ′的函数。
• 利用有限尺寸量子自旋簇的精确对角化识别基态，并验证经典相边界。
• 使用半经典自旋波理论计算动力学结构因子，以与实验的中子散射和RIXS数据进行比较。
• 分析自旋构型和结构因子，识别出在FK-之字形区域附近的多重-Q非公度螺旋相。
• 调节Γ′以探索从之字形到螺旋序的转变，特别是在Li2IrO3中较小三角形畸变的背景下。

实验结果

研究问题

• RQ1 Na2IrO3中的三角形畸变是否能在最小近邻自旋模型中稳定之字形磁序？
• RQ2 新引入的对称非对角交换项Γ′在铁磁Kitaev极限附近稳定之字形相中起什么作用？
• RQ3 具有有限Γ和负Γ′的FK-之字形相是否能重现Na2IrO3中实验观测到的动力学结构因子？
• RQ4 减小三角形畸变如何驱动系统从之字形相转变为螺旋磁序？这一机制对Li2IrO3是否相关？
• RQ5 具有主导波矢2M/3的多重-Q螺旋相是否能解释Li2IrO3中观测到的非弹性中子散射特征？

主要发现

• 三角形畸变在自旋哈密顿量中引入了一个新的对称非对角交换项Γ′，该作用在铁磁Kitaev极限附近稳定了之字形相。
• 识别出具有有限Γ和小负Γ′的FK-之字形相为Na2IrO3的可能基态，与实验观测一致。
• 半经典自旋波计算表明，FK-之字形相的动力学结构因子在定性上重现了非弹性中子散射和RIXS实验中观测到的低能特征。
• 在FK-之字形区域中，随着三角形畸变减小，会形成一族多重-Q非公度螺旋相，其主导波矢为2M/3。
• 在2M/3附近的螺旋相表现出约4 meV的自旋波能隙，以及在波矢约0.4 Å⁻¹处的低能凹陷，与近期非弹性中子散射数据一致。
• 在2M/3处，经典基态具有约每格点0.254的亚铁磁矩，提示其可能与Li2IrO3中的磁有序相存在关联。