[論文レビュー] Field-induced quantum spin disordered state in spin-1/2 honeycomb magnet Na2Co2TeO6 with small Kitaev interaction

Gaoting Lin, Jaehong Jeong+25 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2020

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、3d系蜂巣格子磁性体 Na2Co2TeO6 (NCTO) の磁気的性質を調査し、わずかなキタエフ相互作用を示すにもかかわらず、横磁場の7.5 T から 10.5 T の間で、場誘起量子スピン無秩序状態が観測された。この観察結果は、キタエフ系に対する既存の理論的枠組みに挑戦するものであり、NCTO が弱いキタエフ結合を有する材料における量子スピン液体の研究に特異なプラットフォームであることを示している。

ABSTRACT

Spin-orbit coupled honeycomb magnets with the Kitaev interaction have caught lots of attention since they host exotic physical properties, including the long-sought quantum spin-liquid (QSL) state. So far, the most studied Kitaev systems are 4d/5d-based honeycomb magnets. Meanwhile, recent theoretical studies predicted that 3d-based honeycomb magnets, including Na2Co2TeO6 (NCTO), could also be a potential Kitaev system. To explore this possibility, we studied the magnetic phase diagram and spin-wave excitations of NCTO. While a relatively small K interaction is obtained in NCTO, it is surprising to observe a field-induced spin disordered state within applied magnetic field of 7.5 T < B (perpendicular to b-axis) < 10.5 T. Therefore, NCTO is a unique example to exhibit field-induced disordered state on effective spin-1/2 honeycomb lattice but with small K interaction, which does not fit to existing theoretical frame and calls for future studies.

研究の動機と目的

• 3d蜂巣格子磁性体 Na2Co2TeO6 (NCTO) の磁気相図とスピン波励起状態を調査し、キタエフスピン液体行動の候補とする。
• NCTO がわずかなキタエフ相互作用を示すにもかかわらず、場誘起量子スピン無秩序状態を示すかどうかを特定する。
• 観測されたスピン無秩序状態が、既存のキタエフ系の理論的モデルに適合するかどうかを評価する。
• スピン-軌道結合と磁気的異方性が、3d系蜂巣格子磁性体における特異な量子相の安定化に果たす役割を同定する。

提案手法

• 印加磁場下における Na2Co2TeO6 の磁気的相転移を調べるため、磁化率と比熱を測定する。
• 非弾性中性子散乱を実施し、スピン波励起状態をマッピングし、ギャップレスまたはギャップありモードの存在を特定する。
• 横磁場（b軸に垂直な磁場）下での磁気応答を分析し、量子スピン液体行動の兆候を検出する。
• キタエフスピン液体の理論的モデル（分数化励起を有するスピン液体状態を含む）と実験データを比較する。
• 磁場依存の磁化測定を用いて、スピン無秩序状態が出現する磁場範囲を特定する。
• ジャローシュキン＝モリスキー項およびヘイゼンベルグ項を含むスピンハミルトニアンモデルへのフィッティングにより、キタエフ相互作用の強さを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Na2Co2TeO6 は、わずかなキタエフ相互作用を示すにもかかわらず、横磁場下で場誘起量子スピン無秩序状態を示すか？
• RQ2 外部磁場の存在下で、NCTO の磁気的応答は、従来の磁気的秩序状態からどのように逸脱するか？
• RQ3 観測されたスピン無秩序状態は、3d蜂巣格子系におけるキタエフスピン液体の理論的予測と整合するか？
• RQ4 スピン-軌道結合と磁気的異方性は、NCTO の場誘起無秩序相の安定化に果たす役割は何か？
• RQ5 NCTO に見られるわずかなキタエフ相互作用が、顕在的量子スピン液体行動を支えることができるか？

主な発見

• 横磁場 7.5 T から 10.5 T の範囲で、Na2Co2TeO6 に場誘起量子スピン無秩序状態が観測された。
• 相対的に小さなキタエフ相互作用を示すにもかかわらず、スピン無秩序状態が観測されたことから、標準的なキタエフスピン液体モデルとは異なる挙動を示すことが示された。
• この磁場範囲において長距離磁気的秩序が存在しないことは、磁気的秩序を抑制する量子揺らぎの存在を示唆している。
• 観測されたスピン無秩序状態は、既存のキタエフ系理論フレームワークに適合しないことから、新たな理論的記述の必要性が示された。
• 本研究の結果により、NCTO は弱いキタエフ結合を有する 3d 系蜂巣格子磁性体における場誘起量子スピン無秩序状態を示す、特異な例であることが確立された。
• これらの発見は、3d 系蜂巣格子磁性体がわずかなキタエフ相互作用を有しても、特異な量子相を有することが可能であり、量子スピン液体の探索範囲が拡張されることを示唆している。