Физика Низких Температур: Том 47, Выпуск 11 (Ноябрь 2021), c. 1021-1033    ( к оглавлению , назад )

Evolution of low-energy magnetic excitations pair spectrum in SmMnO3+δ

F. N. Bukhanko and A. F. Bukhanko

Donetsk Institute of Physics and Technology named after A. A. Galkin NASU, Kyiv 03028, Ukraine
E-mail: metatem@ukr.net

Received June 9, 2021, published online September 24, 2021

Abstract

The identification of low-energy thermal excitations in SmMnO3+δ degenerate states of spin and superconducting quantum liquids in magnetic fields H ≤ 3.5 kOe is presented. In the temperature interval 4.2–12 K, the Landau quantization of the low-energy magnetic excitations pair spectrum of Z2 quantum spin liquid is found in the system spinon-gauge field. The formation of a broad continuum of spinon pair excitations in the “weak magnetic field” regime (H = 100 Oe, 1 kOe) in the FC regime is explained in the framework of the Landau quantization models of the compressible spinon gas with fractional values of the factor ν filling three overlapping bands. In the regime of “strong magnetic field” (H = 3.5 kOe), the quantum oscillations of temperature dependences of “supermagnetization” of the incompressible spinon liquid were observed. They have the form of three narrow steps (plateaus), corresponding to a complete filling of the non-overlapping Landau bands with integer values of the filling factor by spinons. These results are evidence for the existence of vortex gauge field fluctuations with a high density in the magnetic fields H ≥ 100 Oe. The strong growth of vortex fluctuations can be explained by a second-kind phase transition in SmMnO3+δ in the form of the vortices condensation. Growth of the external dc magnetic field strength in the SmMnO3+δ samples in the interval of fields 0 < H ≤ 3.5 kOe leads to a continuous de-crease in the giant magnetization jump near the temperature TKT ≅12 K of the topological phase transition, Kosterlitz–Thouless dissociation of 2D vortex-antivortex pairs in a local superconducting state. The suppression of the magnetization jump near the TKT temperature with increasing H is explained by the polarization of vortex-antivortex pairs at temperatures below TKT by an external dc magnetic field, which weakens the vortex interaction in pairs and leads to their dissociation.

Анотація

Представлено ідентифікацію низькоенергетичних теплових збуджень у SmMnO3+δ для вироджених станів спінової та над-провідної квантової рідин у магнітних полях H ≤ 3,5 кЕ. В інтервалі температур 4,2–12 К виявлено квантування Ландау низькоенергетичного парного спектра магнітних збуджень Z2 квантової спінової рідини у спін-калібрувальному полі системи. Формування широкого континууму збуджень спінонних пар у режимі “слабкого магнітного поля” (H = 100 Е, 1 кЕ, FC режим) пояснюється у рамках моделей квантування Ландау стисливого спінонного газу з дробовими значеннями коефіцієнта заповнення ν трьох смуг, які перекриваються. В режимі «сильного магнітного поля» (H = 3,5 к E) спостерігалися квантові коливання температурної залежності «супернамагніченості» нестислової спінонної рідини. Вони мають вигляд трьох вузьких ступенів (плато), що відповідають повному заповненню смуг Ландау, які не перекриваються, з цілими значеннями коефіцієнта заповнення спінонами. Ці результати свідчать про існування флуктуацій вихрового каліброваного поля з високою густиною в магнітних полях H ≥ 100 Е. Сильне зростання вихрових флуктуацій можна пояснити фазовим переходом другого роду в SmMnO3+δ у вигляді конденсації вихорів. Зростання напруженості зовнішнього dc магнітного поля в зразках SmMnO3+δ в інтервалі полів 0 < H ≤ 3,5 кЕ призводить до безперервного зменшення гігантського стрибка намагніченості поблизу температури TKT ≅ 12 К топологічного фазового переходу Костерліца–Таулесса двовимірних пар вихор–антивихор в локальному надпровідному стані. Зменшення стрибка намагніченості поблизу температури TKT зі зростанням H пояснюється поляризацією пар вихор–антивихор при температурах нижче TKT зовнішнім dc магнітним полем, яке послаблює вихрову взаємодію в парах і призводить до їх дисоціації.

Key words: spin liquid, spinon pairs, vortex pairs, magnetization oscillations, Landau quantization.