[論文レビュー] Gapless excitations in the ground state of 1T-TaS$_2$

Amit Ribak, Itai Silber+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2017

Organic and Molecular Conductors Research被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、180 Kでモット転移を示すモット絶縁体である1T-TaS₂の基底状態を調査し、比熱の磁場依存性のある線形項を通じて、ギャップレス励起状態の証拠を提供する。強力な絶縁的挙動と20 mKまでの磁気秩序の欠如にもかかわらず、14 Tで3分の1に減少する線形項は、ギャップレススピンオン様励起の存在を示唆し、量子スピン液体基底状態の可能性を支持する。

ABSTRACT

1T-TaS$_2$ is a layered transition metal dichalgeonide with a very rich phase diagram. At T=180K it undergoes a metal to Mott insulator transition. Mott insulators usually display anti-ferromagnetic ordering in the insulating phase but 1T-TaS$_2$ was never shown to order magnetically. In this letter we show that 1T-TaS$_2$ has a large paramagnetic contribution to the magnetic susceptibility but it does not show any sign of magnetic ordering or freezing down to 20mK, as probed by $μ$SR, possibly indicating a quantum spin liquid ground state. Although 1T-TaS$_2$ exhibits a strong resistive behavior both in and out-of plane at low temperatures we find a linear term in the heat capacity suggesting the existence of a Fermi-surface, which has an anomalously strong magnetic field dependence.

研究の動機と目的

• 1T-TaS₂がモット絶縁体であるにもかかわらず、量子スピン液体（QSL）基底状態を有するかどうかを特定すること。
• 絶縁的輸送と線形比熱項（通常はフェルミ表面を示唆する）の間にある顕著な矛盾を解明すること。
• 磁場依存性のある線形比熱項の起源とスピン励起への影響を調査すること。
• ミューオンスピンリダクション（μSR）測定を用いて、20 mKまでの磁気秩序を除外すること。
• 観察された線形比熱が、残留金属的伝導性か、QSL状態におけるギャップレススピンオン励起に起因するかを明確にすること。

提案手法

• 長距離磁気秩序とスピンの凍結を調べるため、20 mKまでμSR測定を実施した。
• 180 K未満で活性化温度依存性を示す絶縁的挙動を確認するため、面内および面外抵抗率を測定した。
• 磁場依存性のある線形項γ(H)を抽出するために比熱測定を実施した。
• シュットキー項と線形項の組み合わせモデルを用いて比熱データをフィッティングし、γ(H)項を分離した。
• √13aの間隔をもつ三角格子上のタイトバインディングモデルを用い、γ(0)と磁場依存性からバンド幅を推定した。
• パラ磁性およびキュリー型寄与を区別するための磁化率を分析し、90–99.5%のTに依存しない応答が得られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1T-TaS₂は20 mKまで長距離磁気秩序またはスピンの凍結を示すか？
• RQ2 強い絶縁的挙動を示すにもかかわらず、比熱の線形項の起源は何か？
• RQ3 なぜ線形比熱係数γ(H)が強い磁場依存性を示すのか？
• RQ4 観察された線形項は、c軸に沿った残留金属的伝導性によって説明できるか？
• RQ5 ギャップレススピンオン励起を有する量子スピン液体基底状態と整合性があるか？

主な発見

• μSR測定により、20 mKまで1T-TaS₂に磁気秩序またはスピンの凍結は観察されず、長距離磁気秩序の欠如が支持された。
• 比熱は磁場依存性のある線形項γ(H)を示し、14 Tで3分の1に減少した。
• γ(0)値は有効質量約6電子質量に相当し、2次元タイトバインディングモデルではバンド幅約160 meVに相当する。
• γ(H)の強い磁場依存性は、常識的なフェルミ表面または小さなバンド幅のc軸金属的伝導と予想されるものと矛盾する。
• 線形項は、通常は磁場依存性γを示さない不純物系絶縁体とは整合しない。
• データは、ギャップレススピンオン励起を有する量子スピン液体と最も整合するが、不均一性による局在化がゼロ磁場での熱伝導率の欠如を説明できる可能性がある。