複数の競合する相互作用がある3次元ハイゼンベルクモデルにおける1次相転移

ポイント

  • 離散的対称性の破れを伴う1次転移を引き起こす2次元フラストレーション系を、3次元方向に積層した理論模型の相転移の様相を、モンテカルロシミュレーションを用いて検討しました。
  • 3次元系の場合も1次転移が観測されました。1次転移点でSO(3)xC3対称性の自発的対称性の破れが起こっていることを確認しました。
  • 積層相互作用を強くすると、転移温度が上昇し、潜熱が減少するという振る舞いを観測しました。

概要

幾何学的フラストレーションのある磁性体は、その競合効果により、特徴的な磁気構造や相転移、新しいタイプの動的現象、更には複合自由度の競合と協調が織りなす新奇物性が現れる魅力的な物質群であり、理論・実験両面から精力的に研究がなされています。 幾何学的フラストレーションのある磁性体では、スピン間の相互作用ネットワークとスピン異方性の両者の組み合わせに応じて様々な対称性が現れます。物質に内在する対称性と相転移の様相は密接に関係しているため、フラストレーションのある磁性体では様々なタイプの相転移の様相が発現することが期待されます[A-E]。

我々は、複数の競合する相互作用がある三角格子反強磁性体を積層させた、幾何学的フラストレーションのある3次元磁性体の相転移の様相をモンテカルロシミュレーションを用いて解析しました。我々の用いた理論模型は、三角格子面内の複数の相互作用の強さのバランスを変えることにより、対称性が変わります。その中でも特に興味深いと考えられる場合、秩序変数空間がSO(3)xC3の場合について検討しました。この理論模型の基底状態は、らせん構造を取り、更に、3回対称性の破れた磁気構造となっています。この理論模型は、有限温度で自発的にSO(3)xC3対称性が破れる1次相転移(不連続相転移)があることが分かりました。

更に、三角格子面内の相互作用のバランスを保ち、積層相互作用の強さを変化させた場合の1次相転移の様子を検討しました。先ほど述べた、有限温度で自発的にSO(3)xC3対称性が破れる1次相転移(不連続相転移)があるという事実は変わりませんが、相転移温度や潜熱の大きさは積層相互作用の強さに応じて変わりました。積層相互作用を強くすると、相転移温度は上がり、潜熱は下がります。相互作用を強くすることにより潜熱が下がるという現象は、強磁性体などのフラストレーションが無い系でよく知られている相転移現象とは逆の振る舞いです。

以上の研究成果に関する論文がPhysical Review E 誌に掲載されました[1]。本研究は田村亮博士(物質・材料研究機構)[link] との共同研究です。田村亮博士による解説はこちらのサイトをごらんください。

本項目に関する我々の論文:
[1] Ryo Tamura and Shu Tanaka, Physical Review E, 88, 052138 (2013) [link]

References:
[A] R. Tamura and N. Kawashima, J. Phys. Soc. Jpn. 77, 103002 (2008).
[B] E. M. Stoudenmire, S. Trebst, and L. Balents, Phys. Rev. B 79, 214436 (2009).
[C] S. Okumura, H. Kawamura, T. Okubo, and Y. Motome, J. Phys. Soc. Jpn. 79, 114705 (2010).
[D] R. Tamura and N. Kawashima, J. Phys. Soc. Jpn. 80, 074008 (2011).
[E] Ryo Tamura, Shu Tanaka, and Naoki Kawashima, Phys. Rev. B 87, 214401 (2013) [link][Kaleidoscope images]