[論文レビュー] a rare-earth Kitaev material candidate YbCl$_3$

Jie Xing, Huibo Cao+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2019

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、Yb³⁺イオンが有効な Jₑff = 1/2 クラマー二重項基底状態を形成するため、YbCl₃を希土類Kitaev材料候補として提案する。熱力学的測定、交流磁化率、およびトルク測定を通じて、1.20 K および 0.60 K で二段階の磁気的秩序化が観察され、面内および面外磁場によって抑制されることから、量子臨界点と強い二次元性が示唆され、YbCl₃は α-RuCl₃ よりもKitaev系に近い実現である可能性がある。

ABSTRACT

Most of the searches for Kitaev materials deal with $4d/5d$ magnets with spin-orbit-coupled ${J=1/2}$ local moments such as iridates and $\alpha$-RuCl$_3$. Here we propose a new Kitaev material candidate YbCl$_3$. We perform thermodynamic, $ac$ susceptibility and angle-dependent magnetic torque measurements on YbCl$_3$ single crystal. We find that the Yb$^{3+}$ ion exhibits a Kramers doublet ground state that gives rise to an effective spin ${J_{ ext{eff}}=1/2}$ local moment with likely strong anisotropic exchange interactions. The compound exhibits short-range magnetic ordering at around 1.20 K followed by long-range ordering at 0.60 K. These orderings can be suppressed by in-plane and out-of-plane magnetic fields, resulting in a quantum critical point at around 6 and 10 T, respectively. Furthermore, the non-monotonic decrease of Neel temperature under out-of-plane magnetic fields and the 99.8\% of ground state entropy release across the short range ordering, strongly suggest that YbCl$_3$ is more two-dimensional than $\alpha$-RuCl$_3$ and thus a closer realization of a Kitaev system.

研究の動機と目的

• 強いスピン軌道結合を有する希土類Kitaev材料候補としてYbCl₃を調査すること。
• Yb³⁺イオンの局所的電子状態およびその有効スピンモーメントの性質を特定すること。
• 磁気的秩序化行動と磁場下での抑制を調査し、量子臨界性を評価すること。
• 既知のKitaev候補（例：α-RuCl₃）と比較して、YbCl₃の二次元性を評価すること。
• Kitaev量子スピン液体に近いかを評価するため、エントロピー解放と磁気応答を評価すること。

提案手法

• 高品質な測定を実施するためのYbCl₃単結晶の成長。
• 相転移に伴う比熱およびエントロピー解放の決定のための熱力学的測定。
• 動的磁気応答および転移温度の検出のための交流磁化率測定。
• 異方性および秩序化の磁場誘起抑制を調べるための角度依存磁気トルク測定。
• 量子臨界点の特定のため、面内および面外磁場の適用。
• 面外磁場下でのネール温度の非単調的低下を分析し、次元性を推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YbCl₃は、Kitaev物理学に適した有効な Jₑff = 1/2 モーメントを有するクラマー二重項基底状態を有するか？
• RQ2 YbCl₃における磁気的秩序化の性質および順序は何か？また、磁場に対してどのように応答するか？
• RQ3 YbCl₃で量子臨界性を誘起できるか？その磁場強度はどの程度か？
• RQ4 磁気応答に基づいて、YbCl₃の二次元性はα-RuCl₃と比べてどの程度か？
• RQ5 短距離秩序化転移に伴い、基底状態のエントロピーはどの程度解放されるか？

主な発見

• YbCl₃におけるYb³⁺はクラマー二重項基底状態を示し、強いスピン軌道結合に起因する有効な Jₑff = 1/2 局所的モーメントを形成する。
• 短距離磁気的秩序化が1.20 Kで発生し、その後長距離秩序化が0.60 Kで発生するため、二段階の転移順序が示唆される。
• 面内磁場が約6 Tで長距離秩序化を抑制するため、量子臨界点が示唆される。
• 面外磁場が約10 Tで長距離秩序化を抑制し、ネール温度の非単調的低下から量子フラクチュエーションの増幅が示唆される。
• 短距離秩序化転移に伴い、基底状態エントロピーの99.8%が解放されるため、非常に二次元的な磁気的系であると示唆される。
• 磁場誘起量子臨界性とほぼ完全なエントロピー解放の組み合わせにより、YbCl₃はα-RuCl₃よりも二次元性が強く、Kitaev系に近い実現であると強く示唆される。