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凝聚态物理 > 强关联电子

arXiv:2508.19248 (cond-mat)
[提交于 2025年8月26日 ]

标题: 无序诱导的临近量子自旋冰相在Pr$_2$Sn$_2$O$_7$

标题: Disorder-induced proximate quantum spin ice phase in Pr$_2$Sn$_2$O$_7$

Authors:Yi Luo, Joseph A. M. Paddison, Brenden R. Ortiz, Miles Knudtson, Stephen D. Wilson, Jue Liu, Benjamin A. Frandsen, Si Athena Chen, Matthias Frontzek, Andrey Podlesnyak, Adam A. Aczel
摘要: 我们报告了对单晶Pr$_2$Sn$_2$O$_7$的全面体材料表征和中子散射研究,这是一种通过助熔剂生长方法合成的磁性pyrochlore。 未极化的中子漫散射显示,在$T \sim 1$ K以下出现了自旋冰相关性,这由各向异性的捏点特征的发展所证实,这些特征与量子自旋冰(QSI)行为一致。 A.C.磁化率测量表明,在这个区域中自旋动力学逐渐变慢,最终在低于$T_f \approx 0.15$K 时完全自旋冻结。在$T = 0.5$K 时的非弹性中子散射显示,存在一个宽广的准弹性磁激发谱,在低能范围$[0, 0.2]$meV 的强度显著低于$T_f$。同时,(100)型磁序开始萌芽,一个在$\hbar\omega = 0.23$meV 处的有隙激发仍然存在。 我们在$T_f$以上进一步识别出两个不同的动力学时间尺度,一个缓慢分量$\tau_{\mathrm{slow}} \sim 10^{-5}$ s 和一个快速分量$\tau_{\mathrm{fast}} \sim 10^{-10}$ s,与 QSI 系统的理论预测定量一致。 这些结果共同表明,Pr$_2$Sn$_2$O$_7$在低于$T_f$时进入无序诱导的自旋冻结相,靠近一个$U(1)$量子自旋液体。
摘要: We report a comprehensive bulk characterization and neutron scattering investigation of single-crystalline Pr$_2$Sn$_2$O$_7$, a magnetic pyrochlore synthesized via a flux-growth method. Unpolarized neutron diffuse scattering reveals the emergence of spin-ice correlations below $T \sim 1$ K, evidenced by the development of anisotropic pinch-point features that are consistent with quantum-spin-ice (QSI) behavior. A.C. susceptibility measurements indicate a progressive slowing of spin dynamics in this regime, culminating in complete spin freezing below $T_f \approx 0.15$ K. Inelastic neutron scattering at $T = 0.5$ K reveals a broad spectrum of quasi-elastic magnetic excitations, with intensity in the low-energy range $[0, 0.2]$ meV significantly suppressed below $T_f$. Meanwhile, an incipient (100)-type magnetic order begins to nucleate, and a gapped excitation centered at $\hbar\omega = 0.23$ meV persists. We further identify two distinct dynamical timescales above $T_f$, a slow component $\tau_{\mathrm{slow}} \sim 10^{-5}$ s and a fast component $\tau_{\mathrm{fast}} \sim 10^{-10}$ s, in quantitative agreement with theoretical predictions for QSI systems. Taken together, these results indicate that Pr$_2$Sn$_2$O$_7$ enters a disorder-induced spin-frozen phase below $T_f$, lying in close proximity to a $U(1)$ quantum spin liquid.
评论: 20页,17图,2表
主题: 强关联电子 (cond-mat.str-el) ; 材料科学 (cond-mat.mtrl-sci)
引用方式: arXiv:2508.19248 [cond-mat.str-el]
  (或者 arXiv:2508.19248v1 [cond-mat.str-el] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.19248
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Yi Luo [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 8 月 26 日 17:59:57 UTC (7,548 KB)
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