[論文レビュー] Dynamic quantum kagome ice

E. Lhotel, S. Petit+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2017

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 36被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、[111]磁場下におけるペロスキライト酸化物Nd2Zr2O7において、ダイナミカルな量子カグラメアイス状態の出現を示している。スピン励起は、カグラメアイスに特徴的な六重対称構造を持つフラットモードを示す。中性子散乱により、3次元から2次元への次元削減が観測され、フラットモードと分散性ブランチが持続的であることが判明し、分数化励起とトポロジカル秩序を示す量子カグラメアイス相の安定化を示している。

ABSTRACT

The search for two dimensional quantum spin liquids, exotic magnetic states with an entangled ground state remaining disordered down to zero temperature, has been a great challenge in frustrated magnetism during the last decades. Recently, fractionalized excitations, called spinons, emerging from these states, have been evidenced in kagome and triangular antiferromagnets. In contrast, quantum ferromagnetic spin liquids in two dimensions, namely quantum kagome ices, have been less investigated, yet their classical counterparts exhibit amazing properties, magnetic monopole crystals as well as magnetic fragmentation. Here we show that, by applying a magnetic field on the pyrochlore oxide Nd$_2$Zr$_2$O$_7$, which has been shown to develop three dimensional quantum magnetic fragmentation in zero field, we are able to reduce the dimension of the system and to create a dynamic kagome ice state. Our results open the way to the observation of the quantum kagome ice state which was recently investigated theoretically.

研究の動機と目的

• 3次元量子ペロスキライト系における2次元量子スピン液体行動の出現を調査すること。
• 磁場が3次元ペロスキライト系から2次元カグラメアイス物理学への次元削減をどのように誘発するかを明らかにすること。
• バルク材料において、フラットモードやトポロジカルスピン励起といった量子カグラメアイスの兆候を同定すること。
• ダイナミカルなカグラメアイス状態が量子スピンアイス候補において安定化する条件を特定すること。
• 現実の材料系における古典的カグラメアイス行動と量子揺らぎを結びつけること。

提案手法

• [111]磁場を印加した状態でのNd2Zr2O7のスピン励起スペクトルを測定するための中性子散乱実験。
• X線および中性子回折データのリエーテベルド精査を用いて、磁気モーメントの変化とスピン配置を特定する。
• サイト依存のゼーマン項を含む線形スピン波理論を用いて、カグラメおよび三角格子面の磁場誘発的分離をモデル化する。
• 頂点スピン（T）およびカグラメスピン（K）の一般化された平衡解を導入し、磁場依存の磁気秩序を記述する。
• スピンのずれに関する運動方程式の解析を通じて、荷電モード（カグラメ電荷）と分散性のないループモードを同定する。
• 双対ダイヤモンド格子表現を用いて、2次元極限におけるカグラメアイス電荷およびトポロジカル励起をマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バルク量子ペロスキライト材料であるNd2Zr2O7において、[111]磁場下でダイナミカルなカグラメアイス状態が安定化可能か？
• RQ2 Nd2Zr2O7における[111]磁場下のスピン励起スペクトルの性質は何か？ また、カグラメアイス物理学の兆候を示しているか？
• RQ3 ハミルトニアン内の量子揺らぎおよび横方向項は、トポロジカルスピン励起の出現にどのように寄与するか？
• RQ4 磁場がスピン励起スペクトルにおいて、3次元から2次元への次元削減をどの程度誘発するか？
• RQ5 六重対称性を示す観察されたフラットモードは、分数化励起を有する量子カグラメアイス相に起因するものとみなせるか？

主な発見

• [111]磁場下においても、カグラメアイスに特徴的な六重対称構造を持つフラットスピン励起モードがNd2Zr2O7で持続的である。
• 中性子散乱により、3次元から2次元への次元削減が観測され、カグラメ面がダイナミカルなカグラメアイス状態を担っていることが判明した。
• スピン励起スペクトルには、分散性ブランチがフラットモードの上に現れる構造を示しており、トポロジカルスピンオンに類似た励起の存在を示している。
• 磁化測定により、飽和値の2/3でのプラトーが観測され、カグラメ面におけるカグラメアイス則（2本のスピンが内向き、1本が外向き、または逆）と整合的である。
• 理論的モデリングにより、中程度の磁場下で頂点スピンが完全に整列することが確認され、カグラメ面が独立したカグラメアイスダイナミクスを支えることが示された。
• 量子揺らぎが存在する中でも、カグラメ面に局在した安定したカグラメアイス状態が、トポロジカル電荷モードおよび分散性のないループモードを有していることが明らかになった。