スピンの異常な挙動

Scientific Reports volume 12、記事番号: 14065 (2022) この記事を引用

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我々は、2 つの異なる磁気相転移の上下両方の低温における準一次元 (または鎖状) 反強磁性体 RbCoCl3 の格子振動 (フォノン) モードに関する実験的および理論的研究を紹介します。 この化合物中のスピン波励起（マグノン）の周波数に匹敵する周波数で発生する E1g および E2g 対称フォノンの周波数に温度依存性の寄与をもたらすスピン-フォノン相互作用の役割についての明確な証拠が見つかりました。 ここでラマン散乱実験によって研究された RbCoCl3 の挙動は、スピン-フォノン結合が十分に特徴付けられているルチル構造反強磁性体で通常観察される挙動とはかなり異なります。 この理論は、スピン ハミルトニアンの強いイジングのような成分を考慮するように修正されています。 これにより、スピンフォノン結合パラメータの推定が可能になり、解析により、Co 鎖に沿った磁気秩序に関連する転移温度 TN1 = 28 K 未満でフォノンの余分な周波数シフトが始まることも明らかになりました。

磁性固体におけるスピンフォノン結合は遍在しており 1、このような固体の物理的特性の多くにとって重要です。 磁気的に秩序化された状態における格子振動モード (フォノン) とスピン波 (マグノン) 間の相互作用の特徴は、時には強いが通常は微妙であり、多くの場合、理想的なゼロに近い波数ベクトルで最もよく研​​究されるさまざまな形をとることができます。非弾性光散乱 (ラマン分光法またはブリルアン分光法)1 または赤外吸収を使用した光学的調査用。 このようなスピン-フォノン結合に関する十分な知識は、磁性材料の動力学における完全な物理的特性を理解するために非常に重要であり、特定の材料を実際の用途に適用するための決定要因となる可能性があります2、3、4。

近年、ABX3 形の六方晶ペロブスカイト化合物の新規特性に関して関心が高まっています。ここで、A は Cs、Rb または Tl、B は二価の金属イオン、X はハロゲン化アルカリ (通常は Cl または Br) です。 六方晶系の結晶構造は図 1 に概略的に示されているとおりであり、磁性 B 原子 (この場合は Co) の位置が強調されています。 スピン 1/2 磁性 Co イオンを含むこのようなペロブスカイトは、Co 磁性イオンの鎖に沿って発生する支配的なイジングモデル交換相互作用の結果として、低温で準一次元 (1D) 反強磁性秩序を示すことが判明しました (図 1 を参照)。 ）。 興味深い特徴には、スピン波エネルギー連続体、束縛マグノン状態の可能性、およびスピン 1/2 量子細線輸送デバイスにおけるそれらの潜在的な応用が含まれます。 塩化ルビジウムコバルト (RbCoCl3) は、その古典的な準 1D 磁気秩序 5,6 により、そのような望ましい磁性材料の例であり、その理由からここで研究されます。 これらの遷移金属ペロブスカイトのほとんどは、TN1 および TN2 で示される温度で 2 つの磁気相転移を示します。 それぞれ。 これらの転移温度のうち高い方の TN1 は、それより低い温度では鎖に沿った 1 次元に反強磁性秩序が存在する温度を表しますが、低い温度 TN2 は結晶内の Co イオン間の交換相互作用による追加の 3D 鎖間秩序の開始を意味します。 ab 面 (図 1 を参照)。 これらの化合物については、構造的および動的特性を決定するために、大量の中性子散乱研究、ならびにラマン散乱や遠赤外分光法などの光学的測定が使用されてきました。 これらの実験研究には、CsCoCl3 (例 7、8、9、10、11 を参照)、RbCoCl312、13、14、15、TlCoCl316、および CsCoBr38、9、10、17、18、19 が含まれています。

RbCoCl3 の結晶構造の概略図。最近隣交換 J1 と次の最近隣交換 J2 により鎖に沿って (結晶学的 c 方向に) 反強磁性的に配列した Co イオンのみ (緑の黒丸) を示します。 各 Co イオンは、ab 平面で鎖間交換相互作用 J' を持つ 6 つの Co イオンの六角形で囲まれています。