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Breakdown of linear spin-wave theory and existence of spinon bound states in the frustrated kagome-lattice antiferromagnet

フラストレートしたカゴメ格子反強磁性体における線形スピン波理論の破綻とスピノン束縛状態の存在

Mattan, K.*; 小野 俊雄*; 河村 聖子  ; 中島 健次  ; 南部 雄亮*; 佐藤 卓*

Mattan, K.*; Ono, Toshio*; Kawamura, Seiko; Nakajima, Kenji; Nambu, Yusuke*; Sato, Taku*

スピン1/2のカゴメ格子反強磁性体Cs$$_{2}$$Cu$$_{3}$$SnF$$_{12}$$の磁気励起について、高分解能飛行時間法中性子非弾性散乱実験によって調べた。フラストレートしたカゴメ格子反強磁性体に特徴的な平坦なモードや低エネルギー側の強い分散を持つモードは線形スピン波理論で記述できる。しかし、一方で、9-14meVの領域にある分散を持つ強度の弱い3つのモードについてはそれが破綻する。この3つのモードについては、ゾーン中心から離れるか温度を上げるかすると自由スピノンに崩壊して連続励起になる2スピノン束縛状態と思われる。

Spin dynamics of the spin-1/2 kagome-lattice antiferromagnet Cs$$_{2}$$Cu$$_{3}$$SnF$$_{12}$$ was studied using high-resolution, time-of-flight inelastic neutron scattering. The flat mode, a characteristic of the frustrated kagome antiferromagnet, and the low-energy dispersive mode, which is dominated by magnons, can be well described by the linear spin-wave theory. However, the theory fails to describe three weakly dispersive modes between 9 and 14 meV. These modes could be attributed to two-spinon bound states, which decay into free spinons away from the zone center and at a high temperature, giving rise to continuum scattering.

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