[論文レビュー] Evidence for a Z$_2$ topological ordered quantum spin liquid in a kagome-lattice antiferromagnet

Wei Yuan, Zili Feng+13 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2017

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、カゴメ格子反強磁性体Cu₃Zn(OD)₆FBrにおいて、Z₂位相的秩序をもつ量子スピン液体の実験的証拠を提供する。層間Cu²⁺含有量が著しく変化してもスピン励起はギャップありで連続的であり、磁性不純物に対して頑健であることを示し、Z₂位相的秩序をもつギャップあり量子スピン液体基底状態であることを確認する。

ABSTRACT

A quantum spin liquid with a $Z_2$ topological order has long been thought to be important for the application of quantum computing and may be related to high-temperature superconductivity. While a two-dimensional kagome antiferromagnet may host such a state, strong experimental evidences are still lacking. Here we show that the spin excitations from the kagome planes in magnetically ordered Cu$_4$(OD)$_6$FBr and non-magnetically ordered Cu$_3$Zn(OD)$_6$FBr are similarly gapped although the content of inter-kagome-layer Cu$^{2+}$ ions changes dramatically. This suggests that the spin triplet gap and continuum of the intrinsic kagome antiferromagnet are robust against the interlayer magnetic impurities. Our results show that the ground state of Cu$_3$Zn(OD)$_6$FBr is a gapped quantum spin liquid with Z$_2$ topological order.

研究の動機と目的

• カゴメ格子量子スピン液体におけるZ₂位相的秩序の実験的シグネチャーを同定すること。
• 層間磁性不純物が存在する中でのスピン励起状態の安定性を調査すること。
• Cu₃Zn(OD)₆FBrの基底状態がギャップあり量子スピン液体相を示すかどうかを特定すること。
• 磁性秩序があるか否かのカゴメ系におけるスピン励起スペクトルを比較すること。

提案手法

• 磁性秩序があるCu₄(OD)₆FBrと磁性秩序がないCu₃Zn(OD)₆FBrという2つのカゴメ格子化合物の neutron 散乱データを比較する。
• スピン三重項ギャップの存在と頑健性を特定するためにスピン励起スペクトルを分析する。
• 層間磁性含有量の違いにもかかわらず、2つの材料間でスピン励起の連続的分布が共通することを評価する。
• 長距離磁性秩序が存在しない状況において、ギャップあり励起スペクトルの類似性を、位相的秩序の兆候として用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カゴメ格子量子スピン液体において、Z₂位相的秩序の実験的証拠を同定できるか？
• RQ2 層間磁性不純物は、カゴメ反強磁性体のスピン励起スペクトルにどのように影響するか？
• RQ3 本質的なカゴメ反強磁性体におけるスピンギャップは、層間磁性含有量の変化に対して頑健か？
• RQ4 Cu₃Zn(OD)₆FBrにおける長距離磁性秩序の不在は、ギャップあり量子スピン液体基底状態を示唆するか？

主な発見

• Cu₄(OD)₆FBrとCu₃Zn(OD)₆FBrの両方で、層間Cu²⁺含有量が著しく変化しても、類似したギャップあり連続スペクトルが観測される。
• 2つの化合物間でスピン三重項ギャップと連続的励起が維持されていることから、層間磁性不純物に対して頑健であることが示される。
• 観測されたスペクトル類似性は、Cu₃Zn(OD)₆FBrにギャップあり量子スピン液体基底状態が存在することを支持する。
• 本結果は、カゴメ格子反強磁性体におけるZ₂位相的秩序の強力な実験的証拠を提供する。