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Spin and lattice dynamics in the two-singlet system Tb3Ga5O12

Authors :
Petit, Sylvain
Damay, F.
Berrod, Quentin
Zanotti, J.-M.
LLB - Nouvelles frontières dans les matériaux quantiques (NFMQ)
Laboratoire Léon Brillouin (LLB - UMR 12)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris-Saclay
Synthèse, Structure et Propriétés de Matériaux Fonctionnels (STEP )
SYstèmes Moléculaires et nanoMatériaux pour l’Energie et la Santé (SYMMES)
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG)
Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA))
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA))
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Grenoble Alpes (UGA)
Département Interfaces pour l'énergie, la Santé et l'Environnement (DIESE)
LLB - Matière molle et biophysique (MMB)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)
Source :
Physical Review Research, Physical Review Research, American Physical Society, 2021, 3 (1), ⟨10.1103/PhysRevResearch.3.013030⟩, Physical Review Research, 2021, 3 (1), ⟨10.1103/PhysRevResearch.3.013030⟩, 'Physical Review Research ', vol: 3, pages: 013030-1-013030-14 (2021)
Publication Year :
2021
Publisher :
HAL CCSD, 2021.

Abstract

International audience; We address the issue of the origin of the phonon thermal Hall effect in Tb3Ga5O12, an intriguing property presumed to originate from magnetoelastic properties, and magnified in this compound by the non-Kramers nature of Tb3+ ions. Using neutron scattering, we have explored both the spin and lattice dynamics of Tb3Ga5O12. Our experimental results show that the transition toward the magnetic ground state, below TN = 280 mK, is driven by the softening of an exciton, as expected in a two-singlet system like Tb3Ga5O12. Low-energy excitations in the ordered phase are still excitons, whose dispersion throughout the Brillouin zone is driven by magnetic interactions. We have also discovered a mixing between specific phonon and exciton modes, this hybridization being evidenced through an intensity anomaly of the transverse acoustic phonons, as they cross low-energy crystal field excitations. Those experimental results can be comprehended by random phase approximation calculations, involving a Hamiltonian based on crystal electric field, dipolar interactions, and a coupling between phonons and the quadrupolar 4 f electronic density.

Details

Language :
English
ISSN :
26431564
Database :
OpenAIRE
Journal :
Physical Review Research, Physical Review Research, American Physical Society, 2021, 3 (1), ⟨10.1103/PhysRevResearch.3.013030⟩, Physical Review Research, 2021, 3 (1), ⟨10.1103/PhysRevResearch.3.013030⟩, 'Physical Review Research ', vol: 3, pages: 013030-1-013030-14 (2021)
Accession number :
edsair.dedup.wf.001..ac560210a89a6bf261f804bf64633b82
Full Text :
https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.013030⟩