[論文レビュー] Evidence of Dirac Quantum Spin Liquid in YbZn2GaO5

Rabindranath Bag, Sijie Xu+8 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2023

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、YbZn2GaO5 が三角格子上に U(1) Dirac 量子スピン液体をホストするとする熱力学的・非弾性中性子散乱の証拠を示し、スピン-1/2 基底状態と Dirac-like スピノン励起を示す。結果は J1-J2 XXZ モデルと一致し、Γ点でのギャップ特徴と M/K 点でのギャップレススペクトル、T^2 の比熱を示す。

ABSTRACT

The emergence of a quantum spin liquid (QSL), a state of matter that can result when electron spins are highly correlated but do not become ordered, has been the subject of a considerable body of research in condensed matter physics. Spin liquid states have been proposed as hosts for high-temperature superconductivity and can host topological properties with potential applications in quantum information science. The excitations of most quantum spin liquids are not conventional spin waves but rather quasiparticles known as spinons, whose existence is well established experimentally only in one-dimensional systems; the unambiguous experimental realization of QSL behavior in higher dimensions remains challenging. Here, we investigate the novel compound YbZn2GaO5, which hosts an ideal triangular lattice of effective spin-1/2 moments with no detectable inherent chemical disorder. Thermodynamic and inelastic neutron scattering measurements performed on high-quality single crystal samples of YbZn2GaO5 exclude the possibility of long-range magnetic ordering down to 0.06 K, demonstrate a quadratic power law for the specific heat and reveal a continuum of magnetic excitations in parts of the Brillouin zone. Both low-temperature thermodynamics and inelastic neutron scattering spectra suggest that YbZn2GaO5 is a U(1) Dirac QSL with spinon excitations concentrated at certain points in the Brillouin zone. We advanced these results by performing additional specific heat measurements under finite fields, further confirming the theoretical expectations for a Dirac QSL on the triangular lattice of YbZn2GaO5.

研究の動機と目的

• 化学的乱れなしの二次元三角格子系における本質的な量子スピン液体状態の探索を動機づける。
• 熱力学と中性子散乱を通じて YbZn2GaO5 の基底状態を特徴づける。
• この系における Dirac スピン液体とスピノンフェルミ表面仮説を区別する。
• 観測されたスペクトルと熱力学を J1-J2 XXZ モデルがどの程度捉えるかを評価する。

提案手法

• YbZn2GaO5 の高品質単結晶を合成し、乱れを排除するために構造純度を検証する。
• 低温での比熱を測定し、磁気寄与を抽出して T^2 依存を示す。
• 粉末・単結晶のいずれかでの非弾性中性子散乱を実施し、低エネルギー励起を描き、対称点でのギャップを同定する。
• INS から結晶場レベルをフィットして、エフェクティブスピン-1/2 を持つクラマース二重項基底を確認する。
• 大規模行列積状態シミュレーション（DMRG/TDVP）を用いて J1-J2 XXZ モデルの動的構造因子 S(q,ω) を計算し、INS データと比較する。
• J2/J1 ≈ 0.12、Δ ≈ 1.35 を用いて、Γ 点と M/K 点でのスペクトルとギャップ挙動を再現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YbZn2GaO5 は測定温度の最も低い領域でも長距離磁気秩序を欠くのか？
• RQ2 低エネルギー励起スペクトルは U(1) Dirac 量子スピン液体と一致し、スピノンフェルミ表面状態や乱れ誘発効果と区別できるのか？
• RQ3 小さな J2/J1 を持つ J1-J2 XXZ モデルは INS スペクトルと Γ点のギャップを再現できるが、M/K 点ではギャップレス励起を示すのか？
• RQ4 比熱は三角格子 QSL における Dirac スピノンを示す T^2 スケーリングに従うのか？

主な発見

• YbZn2GaO5 は 0.06 K まで磁気秩序を示さない。
• 磁気比熱が低温で T^2 にスケールし、U(1) Dirac QSL の解釈を支持する。
• INS は Γ 点付近でギャップを示す一方、M/K でギャップレス連続体を示し、これらの点で Dirac スピノンと整合する。
• CEF フィットは Yb3+ の基底状態がエフェクティブスピン-1/2 を持つクラムラス二重項で、初励起状態は 441 K を上回ることを確認した。
• J1-J2 XXZ モデル（J2/J1=0.12, Δ=1.35）からの S(q,ω) 理論は、観測されたスペクトルの該当エネルギー範囲と一致する。
• 乱れのない Yb ベースの三角格子化合物は、スピノンフェルミ表面挙動よりも U(1) Dirac QSL に沿う兆候を示す。