Magnetic dynamics of CaIrO3 probed by resonant inelastic X-ray scattering

In this thesis, I focus on the investigation of CaIrO3 by means of resonant inelastic x-ray scattering (RIXS). CaIrO3 belongs to a new class of strongly correlated electron materials of the 5d series, namely iridates. In iridates, the electron correlation is expected to be weak, whereas spin-orbit coupling (SOC) is strong and alters the electronic structure of these compounds, leading to the so-called jeff =1/2 Mott insulating state. The crystal structure of CaIrO3 features both corner- and edge-sharing IrO6 octahedra along the c and a axes, respectively, which are theoretically predicted to support magnetic couplings of different strength and nature. Furthermore, the strong tetragonal distortion, whose energy scale is comparable to that of SOC, modifies the electronic structure of the jeff = 1/2 model and possibly introduces anisotropies in magnetic interactions of CaIrO3. Using iridium L3 edge RIXS, we are able to probe magnetic and electronic properties of CaIrO3 in view of the good energy resolution and the favorable cross section. I performed RIXS measurements at the ID20 beamline of the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF). RIXS data show a characteristic temperature dependence, strongly correlated with the Néel temperature of the system. In addition, the momentum transfer dependence is very peculiar, with strong intensity and modulation of the shape of the RIXS spectra along the corner-sharing direction. By comparison with literature, I conclude that the low-energy dynamics of CaIrO3 is dominated by a two-spinon continuum, thus suggesting that the magnetism in this system has mostly one-dimensional character. I adopt a simple model based on the 1D s=1/2 Heisenberg chain to extract the relevant magnetic interactions in CaIrO3. In order to do so, I compute, calculate and compare the magnetic dynamic structure factor of a coupled spin chain to experimental data. I obtain values of the magnetic couplings which are consistent with that of literature.

La presente tesi tratta dell'analisi delle proprietà magnetiche del CaIrO3 mediante l'uso di resonant inelastic x-ray scattering (RIXS). Il CaIrO3 appartiene a una nuova classe di materiali fortemente correlati della serie 5d, chiamati iridati. Negli iridati, ci aspettiamo che la correlazione elettronica sia debole, mentre l'accoppiamento spin-orbita (SOC) risulta avere un effetto importante tanto da modificare la struttura elettronica di questi composti, generando il cosiddetto jeff = 1/2 Mott insulating state. La struttura cristallina del CaIrO3 è caratterizzata da ottaedri IrO6 connessi tra loro condividendo sia i vertici che i lati lungo gli assi c e a rispettivamente, a cui la teoria associa interazioni magnetiche di diversa origine e forza. Inoltre, la forte distorsione tetragonale, la cui scala di energia è comparabile con quella del SOC, modifica la struttura elettronica dello stato jeff = 1/2 e potrebbe introdurre anisotropie negli accoppiamenti magnetici. Misurando con il RIXS al lato di assorbimento L3 dell'iridio, siamo in grado di sondare le proprietà magnetiche ed elettroniche del CaIrO3 grazie alla buona risoluzione in energia e ad una sezione d’urto favorevole. Ho effettuato gli esperimenti RIXS presso la beamline ID20 dell'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF). I dati RIXS mostrano una dipendenza in temperatura fortemente correlata con la temperatura di Néel del sistema. Inoltre, la dipendenza dal momento trasferito mostra una forte modulazione dell'intensità e della forma degli spettri RIXS lungo l'asse c. Riferendomi alla letteratura, ho concluso che la dinamica delle eccitazioni a bassa energia del CaIrO3 è dominata da eccitazioni two-spinon, da cui deduco che il magnetismo di questo sistema ha un carattere prevalentemente monodimensionale. Ho adottato il modello 1D della catena di spin di tipo Heisenberg con s=1/2 per estrarre le interazioni magnetiche rilevanti nel CaIrO3. Per fare ciò, ho simulato e comparato il fattore di struttura dinamico per le catene magnetiche accoppiate con i dati sperimentali. Ho ottenuto così alcuni valori per gli accoppiamenti magnetici i quali risultano consistenti con la letteratura.