スピン‐フォノン結合が長距離磁気秩序なしで観測(Spin-Phonon Coupling Observed Without Long-Range Magnetic Order)

2026-04-09 合肥物質科学研究院(HFIPS)

中国科学院合肥物質科学研究院(HMFL)の盛志高教授らは、長距離磁気秩序がない状態でも強いスピン‐フォノン結合が生じることを初めて直接観測し、「Physical Review B」に報告した。対象は三角格子を持つフラストレート反強磁性体NaCrO2で、定常強磁場と温度可変テラヘルツ時間領域分光を用いて解析した。テラヘルツ分光により、短距離磁気秩序下での微小なフォノン変化を高感度に検出。その結果、磁気転移温度以上でも短距離スピン相関が持続し、臨界近傍で強い結合が発現、低周波フォノンの周波数や強度が急変することを確認した。この現象はCr–O結合の再正規化に起因し、赤外活性フォノンの異常増強を引き起こす。次世代スピントロニクス材料開発に重要な知見である。

スピン‐フォノン結合が長距離磁気秩序なしで観測(Spin-Phonon Coupling Observed Without Long-Range Magnetic Order)
Temperature dependence of phonon frequency and intensity (Image by QIU Kang)

<関連情報>

短距離スピン秩序とスピンフォノン結合N1CrO2テラヘルツスペクトルによって明らかになった Short-range spin order and spin-phonon coupling in NaCrO2 revealed by terahertz spectra

Biwen Huang, Pengli Hao, and Zhigao Sheng
Physicl Review B  Publishe 16 March, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/6chp-2z42

Abstract

Frustrated magnetic materials provide a fertile ground for exploring novel quantum states, wherein the interplay between spin and lattice degrees of freedom plays a pivotal yet underexplored role. Here, we employ terahertz (THz) time-domain spectroscopy to investigate the spin-lattice coupling and short-range spin correlations in NaCrO2, an =3/2 layered triangular-lattice Heisenberg antiferromagnet. Combined with superconducting quantum interference device magnetometry, our THz spectroscopy reveals the persistence of short-range magnetic order up to twice the long-range magnetic ordering temperature. Furthermore, several low-frequency phonon modes are identified in the THz spectra. Their temperature dependence manifests a strong spin-phonon coupling, characterized by abrupt changes in the intensity and frequency of the phonon absorption peaks at magnetic critical temperatures. Further analysis implies that this coupling is primarily driven by the exchange-interaction-induced modification of the Cr-O bonds. Our work provides direct evidence of spin-phonon coupling in a frustrated magnet and suggests new avenues for manipulating lattice dynamics in quantum materials.

0403電子応用
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