スピンダイマー系 BaCuSi2O6 における新しい相転移

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BaCuSi2O6 [S. E. Sebastian, et al.: Nature 441 (2006) 617]は擬2次元のスピンダイマー反強磁性体である。この物質の磁場下における低エネルギー励起を記述するハードコアボーズ模型ないしXY模型を考えると,これには面間相互作用が相殺する形の特徴的なフラストレーションがある。しかしながら揺らぎを考慮に入れるとこの相殺は不完全になり,この系の磁場中秩序相 (マグノンBEC相)への有限温度相転移は3次元的なものとなる。

図1. 秩序相

我々は,相殺しきれない面間相互作用(=「有効面間相互作用」)の形を,有限温度相転移の有効模型となる古典系においてスピン波近似で議論した。その結果,1) 隣接面間には双二次相互作用があるが対称性のために双一次相互作用はないこと,2) 一方次近接面間には強磁性的な双一次相互作用があることが明らかになった。このことから予想される秩序状態の模式図を図1に示す。最近接面間の反強磁性モーメントが平行か反平行かのいずれかが自発的に選ばれ(Z2対称性の破れ),その配置で反強磁性の長距離秩序がおこる(O(2)対称性の破れ)。図2は実際にシミュレーションで確かめられたこの状態のスナップショットである。

図2. MCシミュレーションのスナップショット。矢印は各格子面ごとに平均された反強磁性モーメントをあらわす。

 

このような複合的な対称性の破れの構造を持つことは相転移の普遍性クラスにどのように影響してくるのか。これについて調べるため,我々はLandau-Ginzburg-Wilson型の有効ハミルトニアンを解析し,数値計算による臨界指数の評価と比較した。その結果,転移点最近傍において,予想されていた3次元XYタイプの臨界現象から何か別のものへのクロスオーバーがあらわれることが分かった。

(by 紙屋佳知)

[参考文献]

Y. K., Naoki Kawashima, and Cristian D. Batista:
"Finite-Temperature Transition in the Spin-Dimer Antiferromagnet BaCuSi$_2$O$_6$,"

J. Phys. Soc. Jpn. 78 (2009) 094008