[論文レビュー] A magnetic continuum observed by terahertz spectroscopy in a quantum spin liquid candidate BaCo$_2$(AsO$_4$)$_2$

Xinshu Zhang, Yuanyuan Xu+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2021

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 4

ひとこと要約

時間領域テラヘルツ分光法を用いて、候補となるキタエフ量子スピン液体であるBaCo2(AsO4)2において、約4.5 Tの垂直磁場下で広い磁気連続体が観測された。これは、磁場誘起量子スピン液体状態を示しており、7 Tまでその連続体が持続する。これは従来の磁気モードとは異なり、キタエフ物理学に一致する分極化された励起状態を示唆している。非キタエフ相互作用が抑制された系において、キタエフ的性質が顕著に現れている。

ABSTRACT

Quantum spin liquids (QSLs) are topologically ordered exotic states of matter that host fractionalized excitations. Kitaev proposed a particular route towards a QSL via strongly bond-dependent interactions on the hexagonal lattice. A number of candidate Kitaev QSL materials have been pursued, but all have appreciable non-Kitaev interactions, which put these systems far from the QSL regime. Using time-domain terahertz spectroscopy (TDTS) we observed a broad magnetic continuum over a wide range of temperature and field in the honeycomb cobalt-based magnet, BaCo$_2$(AsO$_4$)$_2$, which has been proposed to be more ideal versions of a Kitaev QSL. Applying a small in-plane magnetic field of $\sim$ 0.5 T suppresses the magnetic order and at at even higher fields gives rise to a spin-polarized state. With 4T magnetic field oriented principally out-of-plane, a broad magnetic continuum was observed that could be consistent with a field induced QSL. Our results indicate BaCo$_2$(AsO$_4$)$_2$ to be a promising QSL candidate.

研究の動機と目的

• 時間領域テラヘルツ分光法を用いて、候補となるキタエフ量子スピン液体BaCo2(AsO4)2の磁気励起スペクトルを調査すること。
• この材料が磁場誘起量子スピン液体状態の痕跡を示すかどうかを特定すること。
• 面内および垂直磁場に対する応答を測定することで、非キタエフ相互作用の役割を評価すること。
• 従来の磁気モードやパラ磁気応答と比較して、観測された連続体の安定性と性質を評価すること。

提案手法

• 時間領域テラヘルツ分光法（TDTS）を用いて、BaCo2(AsO4)2の動的磁気応答を、さまざまな温度および磁場条件下で測定した。
• 円偏光心度応答を区別し、従来の磁気モードを除外するために、ファラデー幾何（k∥B）および横方向幾何（k⊥B）の両方で測定を行った。
• 磁気感受率の虚数部 χ′′(ν) を抽出し、スペクトル的特徴を特定するためにローレンツ関数でフィッティングした。
• 磁場を面内（約0.5 T）および垂直方向（最大7 T）に印加し、磁気秩序の調整と連続体の出現を調査した。
• 中性子散乱および理論的予測と照らし合わせ、キタエフモデルの文脈でデータを分析した。
• 感受率および磁化測定を用いて、微小な面内磁場の存在を推定し、垂直方向転移の真の臨界磁場を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BaCo2(AsO4)2は、磁場チューニング下で分極化されたスピンオン励起状態を示す磁気連続体を示すか？
• RQ2 理論予測通り、垂直磁場がこの材料に磁場誘起量子スピン液体状態を安定化させ得るか？
• RQ3 観測されたスペクトル的特徴は、従来の磁気モードやパラ磁気応答とどのように異なるか？
• RQ4 非キタエフ相互作用は、磁気秩序の抑制と連続体の出現に果たす役割は何か？
• RQ5 観測された連続体は安定的であり、分極化励起状態からの多粒子連続体と整合的か？

主な発見

• 2–300 Kの温度範囲で、BaCo2(AsO4)2に広い磁気連続体が観測され、これは量子スピン液体に一致する分極化された励起状態の存在を示している。
• 約0.5 Tの微小な面内磁場を印加することで磁気秩序が抑制されたことから、この系における非キタエフ相互作用は比較的弱いことが示唆された。
• 垂直磁場約4.5 Tで、明確な磁気モードは完全に抑制され、広い連続体が出現し、7 Tまで持続した。
• 左および右の円偏光状態の両方で連続体が観測されたため、光学選択則に反するため、従来の磁気モードとは異なる。
• プローブ幾何における連続体のq=0性質と安定性は、パラマグネトンや局所的相関によるものではないことを示唆している。
• k⊥B幾何では連続体が観測されず、k∥Bおよび垂直磁場下でのみ出現するという事実は、磁場誘起量子スピン液体状態由来であることをさらに支持している。