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Ca2RuO4中磁Higgs模及轨道序研究方面取得新进展

    我室张国仁博士与德国于利希研究中心(FZJ)Pavarini教授合作在4d关联体系Ca2RuO4的磁Higgs模和轨道序的稳定性研究方面取得新进展。结合局域密度近似+动力学平均场(LDA+DMFT)和多体微扰论方法,确认了Ca2RuO4xy 型轨道序的鲁棒性(Robustness),并指出该体系中实验上发现的磁Higgs模与xy型轨道序是兼容的(compatible),并不需要基于强自旋-轨道耦合极限的图像来解释。相关结果以“Higgs mode and stability of xy-orbital ordering in Ca2RuO4”为题发表在《物理评论B》(Phys. Rev. B 101, 205128 (2020))上。

相对于3d关联电子体系(自旋-轨道耦合常数在20至50 meV之间),4d体系拥有较强的自旋-轨道耦合(相关常数在100至200 meV之间)。但是4d体系的自旋-轨道耦合又不像5d或4f体系那样相对于晶体场占主导地位。这导致已有研究中出现了相互矛盾的物理图像:把自旋-轨道耦合当作微扰处理(甚至忽略)的弱耦合图像和强自旋-轨道耦合极限图像。因此,非常有必要厘清自旋-轨道耦合在决定4d关联电子体系物性时的重要程度。张国仁博士与合作者在相关方面进行了深入的研究,并取得了一系列进展,详细内容见系列文章Phys. Rev. Lett. 116, 106402 (2016);Phys. Rev. B 95, 075145 (2017);Phys. Rev. B 97, 085141(2018);Phys. Status Solidi RRL 12, 1800211 (2018);Phys. Rev. B 99, 125102 (2019)。

           Ca2RuO4是4d关联电子体系中的代表性材料之一。早期对其磁性的研究是基于Ru4+局域磁矩即弱自旋-轨道耦合的图像来进行讨论的。后来,一种基于强自旋-轨道耦合极限的图像-Van Vleck磁性研究变得流行起来。这种图像的出发点是局域离子总角动量Jtot为零的基态。这一基态的一个典型特征是xy, yz, xz三个轨道被同等占据, nxy:nyz:nxz=1:1:1。这和LDA+DMFT计算所得的xy-型轨道序(nxy: nyz:nxz=2:1:1)基态不一致。而xy-型轨道序则是被一系列角分辨光电子谱所证实的。尽管如此,这种基于强自旋-轨道耦合极限的图像在解释Ca2RuO4磁性时仍然非常流行。其中一个重要的原因是,基于这种图像最近实验上发现的磁Higgs模可以得到较好的解释。那么在Ca2RuO4中自旋-轨道到底起到什么作用及磁Higgs模和xy型轨道序是否能够兼容是非常值得研究的问题。

        针对这些问题,研究人员采用LDA+DMFT结合微扰论的方法研究了Ca2RuO4中xy型轨道序的鲁棒性和磁Higgs模。结果表明,只有当体系的晶体场减少至真实材料的一半以下时,才会发生自旋-轨道耦合从微扰到非微扰的渡越行为, 如图1所示。也就是说,Ca2RuO4中的xy型轨道序是非常稳定的。基于xy型轨道序这一基态,研究人员通过微扰论方法计算了Ca2RuO4中磁交换常数和单离子各向异性张量,确定了自旋-轨道耦合在能量架构中的地位:尽管相对于晶体场自旋-轨道耦合处于微扰地位,但是由它决定的单离子各项异性却远大于离子间的超交换作用。在这样的能量层次架构下,研究人员计算了Ca2RuO4的磁横向pseudo-Goldstone和纵向Higgs激发模及他们的磁密度,如图2所示。结果表明,实验上发现的处于50 meV的磁信号非常有可能是Higgs模,而不是偶数个横向模激发。更重要的是,Higgs模可以在xy轨道序图像下很好地得到解释。

该项工作得到了国家自然科学基金的资助,相关的LDA+DMFT计算是在德国于利希研究中心超级计算机系统JUWELS上完成的。

文章链接:https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.101.205128

图1. 不同晶体场下的谱函数,用于展示自旋-轨道耦合作用从微扰到非微扰的渡越行为。左图:真实晶体场;中图:晶体场减少一半;右图:晶体场为零。

图2. Ca2RuO4中横向pseudo-Goldstone(左及中图)和纵向Higgs模(右图)。实线,计算值;点线,实验上具有最大磁密度的横向模;空圆圈,实验所得的Higgs模。




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