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Neutron scattering study of a magnetic ionic liquid C$$_{4}$$mimFeCl$$_{4}$$

磁性イオン液体C$$_{4}$$mimFeCl$$_{4}$$の中性子散乱研究

古府 麻衣子  ; 綿貫 竜太*; 榊原 俊郎*; 河村 聖子  ; 中島 健次  ; 上木 岳士*; 阿久津 和宏*; 山室 修*

Kofu, Maiko; Watanuki, Ryuta*; Sakakibara, Toshiro*; Kawamura, Seiko; Nakajima, Kenji; Ueki, Takeshi*; Akutsu, Kazuhiro*; Yamamuro, Osamu*

イオン液体は現代の液体科学分野で注目されている多機能液体であり、その特性はイオン種の選択に 応じて変えることができる。たとえば、磁性イオンを含む陰イオン種を選択すると磁気特性が現れる。最初に報告された磁性イオン液体C$$_{4}$$mimFeCl$$_{4}$$は、冷却速度を調整することによりガラス・結晶の両方の状態をつくることができる。興味深いことに、結晶では反強磁性磁気秩序が、ガラスではスピングラス状態が発現する。我々は、中性子散乱測定を行い、結晶ではスピン波励起、ガラスでは非分散かつブロードな磁気励起を観測した。このブロードな磁気励起は、スピングラス転移温度以下ではボーズ因子でスケールでき、構造ガラスにみられるボゾンピークと類似している。これは、周期性が欠如していることを反映し、マグノンが伝搬せずに局在化するためだと考えられる。

Ionic liquids (ILs) have been in the spotlight due to their unique and interesting properties. It is remarkable that their physicochemical properties are controlled by varying cations and anions. Magnetic IL is an example. The first discovered magnetic IL C$$_{4}$$mimFeCl$$_{4}$$ is easily vitrified upon cooling and also crystallized by annealing. Interestingly, an antiferromagnetic transition occurs at 2.3 K in the crystalline state while spin-glass behavior is observed below 0.45 K (= $$T_{rm SG}$$) in the glassy state. Our inelastic neutron scattering experiments have demonstrated that the glassy C$$_{4}$$mimFeCl$$_{4}$$ exhibits a broad and non-dispersive excitation, while the crystal displays spin-wave excitations. The excitation spectrum in the glass state is scaled by the Bose population factor below $$T_{rm SG}$$, which is highly reminiscent of "boson peak" commonly observed in structural glasses. We guess that, since there is no periodicity in structural glasses, magnons hardly propagate through magnetic medium and are localized.

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