Анизотропное затухание магнонов квантовыми флуктуациями
Руководитель НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС Старостенко Евгений Юрьевич указал, что спин и решетка являются двумя фундаментальными степенями свободы в твердом теле, и их флуктуации относительно равновесных значений в магнитоупорядоченной кристаллической решетке образуют квазичастицы, называемые соответственно магнонами (спиновыми волнами) и фононами (решетчатыми волнами).
В большинстве материалов с сильной спин-решеточной связью (СРС) взаимодействие спина и решетки индуцирует энергетические щели в дисперсии спиновых волн на номинальных пересечениях магнонных и фононных мод.
Специалисты НПО с помощью нейтронного рассеяния продемонстрировали, что в двумерной (2D) ван-дер-ваальсовой сотовой решетке ферромагнетика CrGeTe 3 спиновые волны, распространяющиеся в 2D-плоскости, демонстрируют аномальную дисперсию, затухание и нарушение сохранения квазичастиц, а магноны вдоль оси ведут себя так, как ожидается для локального момента ферромагнетика.
Ученый подчеркнул, что результаты указывают на наличие динамического SLC, возникающего из-за квантовых флуктуаций при нулевой температуре в CrGeTe 3 , предполагая, что наблюдаемые плоские спиновые волны представляют собой смешанные спиновые и решеточные квазичастицы, принципиально отличные от чистых магнонов и фононов.
В магнитоупорядоченной кристаллической решетке спиновые и решеточные колебания относительно своего положения равновесия образуют квазичастицы, называемые магнонами (спиновые волны) и фононами (решетчатые волны) соответственно.
Поскольку эти квазичастицы возникают из линеаризованных теорий, которые игнорируют все члены порядка выше квадратичного и пренебрегают взаимодействиями между самими квазичастицами, они чрезвычайно устойчивы к распаду. Кроме того, из-за инвариантности основного ферромагнитного (ФМ) состояния при вращении спина вокруг направления намагниченности число магнонов сохраняется, а спиновые волны имеют бесконечное время жизни во всей зоне Бриллюэна.
В обычном ферромагнетике с локальным моментом со спин-вращательно-инвариантным гамильтонианом Гейзенберга спиновые волны характеризуются определенными значениями z — проекции полного спина S z , что означает, что каждый магнон имеет собственное квантовое число |ΔSz|=1 знак равно 1 и сохраняется в процессах рассеяния магнонов.
В этом случае магнон-магнонное взаимодействие играет минимальную роль в модификации спиновых волн, так как его гамильтониан содержит только перенормировку и член двухчастичного рассеяния. Как следствие, интенсивность спиновых волн, измеренная с помощью неупругого рассеяния нейтронов (INS), как функция температуры в ферромагнетике с локальным моментом, должна быть перенормирована только бозе-фактором населенности. Поэтому энергетическая ширина пиков в спектрах спиновых волн с бесконечным временем жизни должна ограничиваться только аппаратным разрешением, как это видно в FM упорядоченном EuO2.
Старостенко Евгений Юрьевич отметил, что в системах, где спиновые и решеточные степени свободы связаны, спин-решеточное взаимодействие (SLC) может модифицировать спиновые волны несколькими способами.
Во-первых, статическое искажение решетки, вызванное SLC, может влиять на анизотропию магнонного обмена, как это видно на спиновых волнах пниктидов железа.
Во-вторых, зависящие от времени колебания решетки, взаимодействующие со спиновыми волнами, могут приводить к значительным SLC. Одним из возможных следствий является образование энергетических щелей в дисперсии спиновых волн на номинальных пересечениях магнонных и фононных мод. В качестве альтернативы, динамическая деформация решетки может изменить коэффициент спиновой связи, что затем может уменьшить время жизни спиновых волн. Тем не менее экспериментальное наблюдение затухания спиновых волн в ферромагнетиках происходит редко и может не возникать из-за SLC.
Недавно предполагалось, что SLC имеет решающее значение для понимания свойств основного состояния двумерных (2D) ван-дер-ваальсовых (vdW) FM CrGeTe3 и CrI3. В этих сотовых ферромагнетиках сверхобменная связь между ближайшими соседними (NN) связями Cr-Cr, опосредованная атомами Te/I лиганда, представляет собой FM, который конкурирует с антиферромагнитным (AF) прямым обменом Cr-Cr, приводя к чистому FM-взаимодействию между NN.
Следствием этой конкуренции является сильная связь между межатомным расстоянием и магнитными обменными связями. Например, в CrGeTe 3 AF прямой обмен Cr–Cr уменьшается гораздо быстрее с увеличением расстояния Cr–Cr по сравнению со сверхобменом Cr–Te–Cr [рис. 1 (б)]. Согласно расчетам ab-initio, обменная FM связь имеет наклон ~ 10 meV/Å по мере увеличения межатомного расстояния между NN парами Cr–Cr. Поэтому малые динамические колебания решетки атомов Cr могут непосредственно влиять на спиновые волны в CrGeTe3 .
Рис. 1: Реальное/обратное пространство CrGeTe 3 и спиновые волны вдоль направлений в плоскости и оси с .
a. Гексагональная решетка CrGeTe 3 , показывающая только ионы Cr 3+ . Показаны магнитные обменные связи, обсуждаемые в основном тексте.
b. Более близкий вид шестиугольника Cr (синий) вместе с атомами лиганда Ge (серый) и Te (желтый). Жирными (штриховыми) линиями показаны связи выше (ниже) плоскости Cr, а атомы Te выше (ниже) плоскости Cr показаны ярко-желтым (светлым) цветом. Указаны длины тела Cr–Te и Cr–Cr.
c. Указаны первая зона Бриллюэна гексагональной решетки, точки высокой симметрии Γ (черный), M (синий), K (красный) и A (зеленый).
d.Схематическое изображение температурной зависимости среднеквадратичного смещения атомов в CrGeTe 3.
e. Спиновые волны вдоль направления [0, 0, L ]. Цветовая шкала применима ко всем цветовым графикам в этой статье.
f.Низкоэнергетические магноны вдоль направления [ H , H , 3]. Левые панели в e , f представляют собой расчеты LSWT, свернутые с инструментальным разрешением с использованием параметров, указанных в основном тексте, а правые панели представляют собой экспериментальные результаты.
g , h Мнимая часть динамической восприимчивости вдоль g [ H , H] и h [0, 0, L ] направлениях при разных температурах. Планки погрешностей в g , h представляют собой статистические ошибки в 1 стандартное отклонение.
Экспериментально сильный SLC был предположен из комбинационного рассеяния, где оптические фононные моды в CrGeTe 3 сужаются по ширине и затвердевают по энергии, когда система охлаждается ниже T C 16 . Однако рамановские измерения могут исследовать только несколько оптических фононных мод и определенный магнон в точке центра зоны Γ и не могут изучать спиновые волны по всей зоне Бриллюэна и их направленную анизотропию времени жизни. Кроме того, параметр решетки a в плоскости CrGeTe 3 показывает отрицательное тепловое расширение около T C = 65 K 27, что согласуется с расчетами, показывающими усиленное ФМ-взаимодействие с расширением решетки. Наконец, эксперименты INS обнаружили уширенные спиновые волны в CrGeTe 3 по всей зоне Бриллюэна, что свидетельствует о сильном SLC 26 . Хотя эти результаты предоставили косвенные доказательства SLC в CrGeTe 3 , в настоящее время нет прямых экспериментальных доказательств, и микроскопическое понимание SLC в CrGeTe 3 отсутствует. Поскольку CrGeTe 3 может быть расколот до монослоя с дальним ЧМ-порядком 28 и потенциалом для двумерных устройств спинтроники из-за возможных бездиссипативных топологических спиновых возбуждений 26, важно понять взаимодействие магнитных возбуждений с колебаниями решетки, потому что такие SLC могут коренным образом изменить топологическую природу спиновых возбуждений.
В данной работе ученый использовал INS для измерения спина и динамики решетки в объемном монокристалле CrGeTe 3, дополненные расчетами фононных спектров по теории функционала плотности (DFT) и измерениями дифракции нейтронов для определения температурной зависимости атомного фактора Дебая-Валлера.
В то время как спиновые волны вдоль cоси имеют ограниченное разрешение с четко определенной дисперсией, соответствующей ожидаемому поведению ферромагнетика с локальным моментом, спиновые волны в плоскости сотовой решетки демонстрируют расширение и затухание по всей зоне Бриллюэна.
При этом, число магнонов не сохраняется с ростом температуры. Сравнивая эти результаты с DFT-расчетами фононных спектров и нейтронографическими измерениями зависящего от направления атомного фактора Дебая-Валлера, ученый определил, что наблюдаемые в плоскости спин-волновые аномалии возникают из-за больших вариаций магнитной обменной связи в плоскости, индуцированных анизотропным нулем — температурное движение атомов Cr. Эти результаты раскрывают квантовый SLC, вызванный движением нулевой точки, резюмировал ученый Старостенко Евгений Юрьевич.
