[論文レビュー] Giant magnetic in-plane anisotropy and competing instabilities in Na3Co2SbO6

Xintong Li, Yuchen Gu+13 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2022

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、ナノメートルスケールの格子歪み（<0.2% 正方晶）が最小限であるにもかかわらず、完全な twins なし単結晶 Na₃Co₂SbO₆ において、200% を超える巨大な面内磁気的異方性が明らかにされた。磁化測定および磁気的中性子回折を用いて、反強磁性と強磁性の不安定性が競合する状況と関連する場磁界誘起相が同定され、量子スピン液体相に近接している可能性が示唆され、キタエフ候補材料における理想的なヘキサゴナル格子対称性の仮定に疑問を呈するものである。

ABSTRACT

We report magnetometry data obtained on twin-free single crystals of Na3Co2SbO6, which is considered a candidate material for realizing the Kitaev honeycomb model for quantum spin liquids. Contrary to a common belief that such materials can be modeled with the symmetries of an ideal honeycomb lattice, our data reveal a pronounced two-fold symmetry and in-plane anisotropy of over 200%, despite the honeycomb layer's tiny orthorhombic distortion of less than 0.2%. We further use magnetic neutron diffraction to elucidate a rich variety of field-induced phases observed in the magnetometry. These phases manifest themselves in the paramagnetic state as diffuse scattering signals associated with competing ferro- and antiferromagnetic instabilities, consistent with a theory that also predicts a quantum spin liquid phase nearby. Our results call for theoretical understanding of the observed in-plane anisotropy, and render Na3Co2SbO6 a promising ground for finding exotic quantum phases by targeted external tuning.

研究の動機と目的

• Na₃Co₂SbO₆ における磁気的異方性および低エネルギー磁気励起状態を、高品質な twins なし単結晶を用いて調査すること。この物質はキタエフ量子スピン液体の候補である。
• コバルト酸塩系キタエフ材料において、その低対称性のモノクライン構造を踏まえて、理想的なヘキサゴナル格子対称性の仮定の妥当性を検証すること。
• 場磁界に依存する磁気的相を同定し、常磁性状態における反強磁性と強磁性の不安定性の競合する相互作用を解明すること。
• 散乱の拡散成分の実験的検出および場磁界誘起秩序状態の観察を通じて、Na₃Co₂SbO₆ が量子スピン液体相にどれほど近いかを評価すること。
• 単純な結合平均化近似では説明できない強い面内異方性を測定することで、理論的モデルのベンチマークを提供すること。

提案手法

• Na₃Co₂SbO₆ の twins なし単結晶を用いて高精度な磁化測定を実施し、磁気的異方性および場磁界依存磁化を測定した。
• 時間飛行法を用いた磁気的中性子回折実験を、複数の入射エネルギー（5.6、16.8、35 meV）およびさまざまな磁場方向で実施した。
• Q⊥ スライス（例：Q⊥ ≈ 0.3、0.7、1.0 r.l.u.）を一定に保ちながら回折マップを取得し、外部磁場下での運動量空間における磁気散乱の変化を調査した。
• 磁気波数ベクトルのマッピングおよび異なる反強磁性秩序状態（AFM₁/₂ および AFM₁/₃ 相）の同定のため、ハイブリッド逆格子座標系（Qa、Qb、Q⊥）を用いた。
• 散乱信号の対称化およびデータ還元技術を適用し、予備的な磁気的不安定性を示す拡散散乱成分を抽出した。
• 理論的予測であるキタエフ系における競合的不安定性および量子スピン液体に近接する状態と、実験結果を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 格子歪みが 0.2% 未満という極めて小さいにもかかわらず、Na₃Co₂SbO₆ の面内磁気的異方性の大きさとその起源は何か？
• RQ2 場磁界誘起磁気的相は常磁性状態にどのように現れるのか？ また、それらは競合する磁気的不安定性をどのように明らかにするか？
• RQ3 観察された磁気的性質は、キタエフ候補材料における C₃ 対称性の仮定をどの程度反駁するか？
• RQ4 Na₃Co₂SbO₆ が量子スピン液体相に近接しているという証拠は何か？ それは拡散散乱にどのように反映されるか？
• RQ5 モノクライン構造は、この系における磁気的異方性および磁気的秩序の性質にどのように影響を与えるか？

主な発見

• Na₃Co₂SbO₆ において、格子歪みが 0.2% 未満の正方晶歪みであるにもかかわらず、200% を超える巨大な面内磁気的異方性が観測された。
• 磁気的中性子回折により、常磁性状態で拡散散乱信号が観測され、反強磁性と強磁性の不安定性が競合していることが示された。
• 場磁界依存測定により、複数の場磁界誘起磁気的相が同定され、それぞれ異なる波数を持つ AFM₁/₂ および AFM₁/₃ 秩序が確認された。
• 観測された磁気的不安定性は、理論モデルが予測する量子スピン液体相に近接する状態と整合しており、Na₃Co₂SbO₆ が特異な量子相の実現に適したプラットフォームであることを支持する。
• 強い異方性は単純な結合平均化モデルでは説明できず、低対称性のモノクライン構造が磁気的性質を決定づける重要な役割を果たしていることが示された。
• データはキタエフ材料における C₃ 対称性の一般的な仮定を疑問視し、回転対称性の破れを考慮した洗練された理論モデルの必要性を強調している。