[論文レビュー] Absence of magnetic thermal conductivity in the quantum spin liquid candidate YbMgGaO4

Yang Xu, Jun Zhang+5 more|PubMed|Nov 23, 2016

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、YbMgGaO4単結晶における超低温度比熱および熱伝導度の測定を報告し、ギャップレス励起を示すべき磁気比熱（Cₘ ∼ T⁰.⁷⁴）を明らかにしたが、ゼロ磁場下では磁気的熱伝導度は検出されなかった。大きな磁気比熱にもかかわらず磁気的熱伝導度が存在しないことは、その量子スピン液体基底状態の理論的モデルを強く制約する。

ABSTRACT

We present the ultralow-temperature specific heat and thermal conductivity measurements on single crystals of YbMgGaO_{4}, which was recently argued to be a promising candidate for a quantum spin liquid (QSL). In a zero magnetic field, a large magnetic contribution of specific heat is observed, and exhibits a power-law temperature dependence (C_{m}∼T^{0.74}). On the contrary, we do not observe any significant contribution of thermal conductivity from magnetic excitations. In magnetic fields H≥6 T, the exponential T dependence of C_{m} and the enhanced thermal conductivity indicate a magnon gap of the fully polarized state. The absence of magnetic thermal conductivity at the zero field in this QSL candidate puts a strong constraint on the theories of its ground state.

研究の動機と目的

• YbMgGaO4の低エネルギー磁気励起を、超低温度測定を用いて調査すること。
• YbMgGaO4においてギャップレス磁気比熱と磁気的熱伝導度の欠如という見かけ上の矛盾を解明すること。
• 基底状態がギャップレスU(1) QSLでありスピンオンフェルミ面を有するのか、あるいは局在化した励起を有するギャップ付き状態なのかを特定すること。
• 高品質単結晶の熱応答を測定することで、QSL基底状態の理論的モデルを制約すること。
• 不純物や散乱機構が、高磁気比熱にもかかわらずスピンオンの熱輸送を抑制する役割を果たすかどうかを評価すること。

提案手法

• 0.05–3 Kの超低温度比熱測定を、ドライアイス冷媒を用いた物理特性測定システムを用いて実施した。
• 単結晶をab面に切断し、インサイトカリフォニクス法を用いた4線式定常状態法により熱伝導度を測定した。
• c軸に沿って最大9 Tの磁場を印加し、完全スピン偏極状態への磁場誘起遷移を調査した。
• 音響的寄与を分離するために、非磁性のLuMgGaO4を基準として用いた。
• 熱伝導度の運動論的式 κₘ = (1/3)Cₘv_Fl を用いて、磁気比熱、フェルミ速度、スピンオンの平均自由行程を関連づけた。
• U(1) QSLおよびスピンオンフェルミ面モデルの理論予測と実験結果を比較し、整合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YbMgGaO4は、量子スピン液体におけるギャップレススピンオン励起と整合する磁気的熱伝導度を示すか？
• RQ2 ゼロ磁場下で顕著な磁気比熱（Cₘ ∼ T⁰.⁷⁴）を示すが、その原因は何か？ なぜその比熱は熱伝導度に反映されないのか？
• RQ3 YbMgGaO4における磁気励起は磁場下でどのように振る舞うのか？ これにより基底状態の性質に何が示唆されるか？
• RQ4 不純物や散乱機構が、ギャップレスであるにもかかわらずスピンオンを局在化させ、磁気的熱伝導度の欠如を説明できるか？
• RQ5 観測された熱輸送特性は、提案されたU(1) QSLおよびスピンオンフェルミ面モデルの妥当性をどの程度制約するか？

主な発見

• 0.1 Kまで、Cₘ ∼ T⁰.⁷⁴ のべき乗則的温度依存性を示す大きな磁気比熱が観測され、ギャップレス磁気励起の存在を示唆した。
• ゼロ磁場下では、磁気励起による熱伝導度への顕著な寄与は検出されなかったが、磁気比熱は顕著に大きかった。
• ゼロ磁場下の熱伝導度はフォノンが支配的であり、磁気励起による散乱がその大きさを減少させた。
• 6 T以上の磁場では、比熱が指数関数的T依存性を示し、完全偏極状態とスピンオンギャップの存在と整合的であった。
• スピンオンの平均自由行程は8.6 Åと推定され、スピン間隔のおよそ2.5倍に相当し、ギャップレスであるにもかかわらず強い局在化が示唆された。
• 大きなCₘとほとんどないκₘの組み合わせは、理論的モデルを強く制約し、YbMgGaO4におけるスピンオンが非常に局在化している可能性を示唆しており、三角反軸ピラミッド内のMg²⁺-Ga³⁺サイト不純物が原因である可能性がある。