Evidence of quantum dimer excitations in Sr$_3$Ir$_2$O$_7$
M. Moretti Sala, V. Schnells, S. Boseggia, L. Simonelli, A. Al-Zein, J. G. Vale, L. Paolasini, E. C. Hunter, R. S. Perry, D. Prabhakaran, A. T. Boothroyd, M. Kr… 展开作者
M. Moretti Sala, V. Schnells, S. Boseggia, L. Simonelli, A. Al-Zein, J. G. Vale, L. Paolasini, E. C. Hunter, R. S. Perry, D. Prabhakaran, A. T. Boothroyd, M. Krisch, G. Monaco, H. M. Ronnow D. F. McMorrow, F. Mila
用高分辨共振非弹性X射线散射（RIXS）和理论方法研究了双层铱酸盐Sr $_3$ Ir $_2$ O $_7$的磁激发谱.对RIXS谱与铱-氧化物双层的波矢转移方向（$\mathbf{Q}$）的系统依赖性的研究表明，磁振子色散由两个能量分离良好的分支组成，并在整个布里渊区有间隙。我们的研究结果与早期的研究报告存在一个单一的优势分支。虽然这些早期的结果被解释为两个重叠的模式内的自旋波模型的弱耦合铱氧化物平面，我们的结果更容易让人联想到那些预期的弱耦合二聚体系统。在后一种方法中，较低和较高能量的模式找到了一个自然的解释，分别对应于横向和纵向波动。因此，我们发展了一种键算符理论，用量子二聚体激发来描述Sr $_3$ Ir $_2$ O $_7$中的磁色散.在我们的模型中，二聚是由主要的海森堡交换，$J_c$，它耦合在双层相邻平面的铱离子。哈密顿量还包括面内交换、$J$以及其他相邻耦合和相关各向异性。键算符理论提供了一个很好的帐户的两种模式的色散，而测量的$\mathbf{Q}$的RIXS强度的依赖性是在合理的定性符合从理论计算的自旋-自旋关联函数。我们讨论了我们的结果的上下文中的量子临界双层二聚体系统中存在的各向异性相互作用来自强自旋轨道耦合。
英文摘要：
The magnetic excitation spectrum in the bilayer iridate Sr$_3$Ir$_2$O$_7$ has been investigated using high-resolution resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) performed at the iridium L$_3$ edge and theoretical techniques. A study of the systematic dependence of the RIXS spectrum on the orientation of the wavevector transfer, $\mathbf{Q}$, with respect to the iridium-oxide bilayer has revealed that the magnon dispersion is comprised of two branches well separated in energy and gapped across the entire Brillouin zone. Our results contrast with those of an earlier study which reported the existence of a single dominant branch. While these earlier results were interpreted as two overlapping modes within a spin-wave model of weakly coupled iridium-oxide planes, our results are more reminiscent of those expected for a system of weakly coupled dimers. In this latter approach the lower and higher energy modes find a natural explanation as those corresponding to transverse and longitudinal fluctuations, respectively. We have therefore developed a bond-operator theory which describes the magnetic dispersion in Sr$_3$Ir$_2$O$_7$ in terms of quantum dimer excitations. In our model dimerisation is produced by the leading Heisenberg exchange, $J_c$, which couples iridium ions in adjacent planes of the bilayer. The Hamiltonian also includes in plane exchange, $J$, as well as further neighbour couplings and relevant anisotropies. The bond-operator theory provides an excellent account of the dispersion of both modes, while the measured $\mathbf{Q}$ dependence of the RIXS intensities is in reasonable qualitative accord with the spin-spin correlation function calculated from the theory. We discuss our results in the context of the quantum criticality of bilayer dimer systems in the presence of anisotropic interactions derived from strong spin-orbit coupling.
Localized magnetic excitations in the fully frustrated dimerized magnet Ba$_2$CoSi$_2$O$_6$Cl$_2$
用非弹性中子散射实验直接探测了有效自旋为1/2的二聚磁体Ba $_2$ CoSi $_2$ O $_6$ Cl $_2$的磁激发。我们观察到五种类型的激发在4.8，5.8，6.6，11.4，和14.0毫电子伏，这是所有dispersionless内的分辨率限制。三个低位激发的散射强度被发现表现出不同的$Q$依赖性。详细的分析表明，Ba $_2$ CoSi $_2$ O $_6$ Cl $_2$是一个二维自旋二聚体系统描述只有一个单一的二聚体网站，其中的三重态激发是本地化的，由于几乎完美的挫折的二聚体间的交换相互作用和未二聚的自旋，即使在小的浓度，作出重要贡献的激发光谱。
Cooperative order and excitation spectra in the bicomponent spin networks
结合键算符表象（对于$S=1/2$自旋二聚体）和Holstein-Primakoff变换（对于$S=5/2$自旋），研究了由$S=1/2$自旋二聚体和$S=5/2$自旋链组成的亚铁磁自旋模型.自旋二聚体和自旋链之间的有限相互作用$J_{\rm DF}$使自旋链反铁磁有序化，使自旋二聚体极化。由自旋二聚体介导的自旋链之间的有效相互作用被计算到第三阶。自旋二聚体中的交错磁化强度与$J_{\rm DF}$成比例。它提供了一个有效的交错场作用在自旋链上。由于链的磁化，三重子的简并被提升，并且识别出具有纵向极化的模式。由于三重子-磁振子相互作用，杂化类三重子激发在消失的$J_{\rm DF}$附近表现出不同的行为。另一方面，杂化的类磁振子激发打开了能隙$Δ_A\sim J_{\rm DF}$。这些结果与Cu $_{2}$ Fe $_{2}$ Ge $_{4}$ O $_{13}$的实验结果一致。
Disordered dimer state in electron-doped Sr$_{3}$Ir$_{2}$O$_{7}$
研究了电子掺杂自旋轨道Mott绝缘体（Sr $_{1-x}$ La $_{x}$）$_3$ Ir $_2$ O $_7$中的自旋激发.当这个双层正方形晶格系统被掺杂到金属制度中时，长程反铁磁性消失，但带隙自旋激发的光谱仍然存在。随着载流子浓度的增加，激发寿命被强烈阻尼，并且能量积分谱权重变得几乎与动量无关，因为静态自旋序被抑制。本地磁矩，在母体系统中不存在，在金属样品中生长，并接近与每个电子掺杂一个$J=\frac{1}{2}$杂质相一致的值。我们的综合数据表明，金属（Sr $_{1-x}$ La $_{x}$）$_3$ Ir $_2$ O $_7$的磁谱最好描述的激发出的无序二聚体状态。
Magnetic excitations of the gapped quantum spin dimer antiferromagnet Sr$_{3}$Cr$_{2}$O$_{8}$
Sr $_{3}$ Cr $_{2}$ O $_{8}$由自旋为1/2的Cr $^{5+}$离子的晶格组成，这些离子形成六方双层，并且通过占主导地位的反铁磁双层内耦合配对成二聚体。二聚体通过受抑的二聚体间相互作用三维耦合。从六方到单斜的结构畸变导致轨道有序，并提升了空间各向异性交换相互作用引起的挫折。我们生长了Sr $_{3}$ Cr $_{2}$ O $_{8}$的大单晶，并进行了直流磁化率，高场磁化强度和非弹性中子散射测量。中子散射实验揭示了三个缺口和分散的单重态到三重态模式所产生的三个孪生域，形成下面的过渡，从而确认了轨道排序的图片。通过将数据与随机相近似模型进行比较来提取交换相互作用，发现二聚体耦合为$J_{0}=5.55$ meV，而二聚体间与二聚体内交换常数的比率为$J'/J_{0}=0.64$。结果进行了比较，为其他间隙磁铁。
Prediction for the singlet-triplet excitation energy for the spinel MgTi$_2$O$_4$ using first-principles diffusion Monte Carlo
尖晶石MgTi $_2$ O $_4$在低温下转变为二聚态，预期为自旋单线态。然而，没有发现单重态-三重态跃迁的特征，部分原因是从理论上预测跃迁的能量很困难。我们发现MgTi $_2$ O $_4$的二聚体可以用Heisenberg模型来描述，不同二聚体之间的相互作用非常小。使用高精度的第一性原理量子Monte Carlo结合一种新的模型拟合方法，我们预测这些二聚体的单重态-三重态间隙为350（50）meV，比以前的实验观察更高的能量已经考虑。这个预测是在实验证实之前发表的。
Dynamical dimer structure factor of the triangular $S=1/2$ Heisenberg antiferromagnet
Technische Universität München（慕尼黑工业大学）；Université Libre de Bruxelles（布鲁塞尔自由大学）；Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST)（慕尼黑量子科学与技术中心）
Triangular-lattice anisotropic dimerized Heisenberg antiferromagnet: Stability and excitations of the quantum paramagnetic phase
受非磁性三角晶格莫特绝缘体实验的启发，我们研究了一个候选顺磁相，柱状二聚体（或价键）相。我们应用键算子理论的变体，二聚和空间各向异性自旋1/2海森堡模型，并确定其零温度相图和基本三重激发（三重子）的光谱。根据模型参数，我们发现，最低的三体子能量位于一个公度或非公度波矢。在这个三重态-无公度跃迁处的三重态凝聚定义了一个量子Lifshitz点，有效的降维可能导致在三重态带隙的闭合附近出现非平凡的顺磁（例如自旋液体）态。我们还讨论了高能三重子的两粒子衰变，我们评论的相关性，我们的结果为有机莫特绝缘体EtMe 3 P [Pd（dmit）2]2。
