[論文レビュー] Observation of a gapless spin liquid in a diluted Kitaev honeycomb material

S.-H. Baek, Hyeon Woo Yeo+5 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2020

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ひとこと要約

本研究では、$^{35}$Cl NMRを用いて希薄化されたKitaevヘキサゴナル格子材料$α$-Ru$_{1-x}$Ir$_x$Cl$_3$を調査し、磁場誘起スピンギャップとゼロ場磁気秩序が消失する臨界ドーピング閾値$x_c \approx 0.22$を特定した。この結果は、量子的フラストレーションとドーピングに起因する不規則性が原因で、ギャップレスなスピン液体相が出現することを示している。

ABSTRACT

We report a $^{35}$Cl nuclear magnetic resonance (NMR) study of the diluted Kitaev material $\alpha$-Ru$_{1-x}$Ir$_x$Cl$_3$ ($x=0.1$ and $0.2$) where non-magnetic Ir$^{3+}$ dopants substitute Ru$^{3+}$ ions. Upon dilution, the $^{35}$Cl spectra exhibit unusual large magnetic inhomogeneity, which sets in at temperatures below the Kitaev exchange energy scale. At the same time, the $^{35}$Cl spin-lattice relaxation rate $T_1^{-1}$ as a function of dilution and magnetic field unravels a critical doping of $x_c\approx 0.22$, towards which both the field-induced spin gap and the zero-field magnetic ordering are simultaneously suppressed, while novel gapless low-energy spin excitations dominate the relaxation process. These NMR findings point to the stabilization of a random singlet phase in $\alpha$-Ru$_{1-x}$Ir$_x$Cl$_3$, arising from the interplay of dilution and exchange frustration in the quantum limit.

研究の動機と目的

• Kitaevヘキサゴナル格子材料$α$-RuCl$_3$における非磁性イリジウム$^{3+}$ドーピングの磁気的性質に及ぼす影響を調査すること。
• 希薄化と交換フラストレーションが、量子状態におけるスピン励起スペクトルに与える影響を明らかにすること。
• 特にギャップレスなスピン液体行動を示すような、新たな量子スピン相の出現を特定すること。

提案手法

• $x = 0.1$および$0.2$の$α$-Ru$_{1-x}$Ir$_x$Cl$_3$に対して$^{35}$Cl核磁気共鳴（NMR）測定を実施し、局所的な磁気環境を調べること。
• 局所的スピンフラクチュエーションに起因する磁気的不均一性を検出するために、$^{35}$Cl NMR線形の形状を解析すること。
• スピン-格子緩和率$T_1^{-1}$を温度、磁場、ドーピング濃度の関数として測定し、低エネルギーにおけるスピンダイナミクスを抽出すること。
• 異なるドーピングレベルにおける$T_1^{-1}$の振る舞いを比較し、臨界ドーピング閾値$x_c \approx 0.22$を特定すること。
• 磁場誘起スピンギャップとゼロ場磁気秩序の両方の抑制を、量子相転移の指標として用いること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非磁性イリジウム$^{3+}$による$α$-RuCl$_3$中のルーティウム$^{3+}$の希薄化が、ギャップレスなスピン液体相を安定化させるか？
• RQ2 磁場誘起スピンギャップとゼロ場磁気秩序が同時に消失する臨界ドーピング濃度$x_c$は何か？
• RQ3 Kitaev交換エネルギースケール未満で、局所的磁気的不均一性とスピンダイナミクスはどのように変化するか？
• RQ4 $x_c$近傍で$T_1^{-1}$緩和過程を支配する低エネルギースピン励起の性質は何か？
• RQ5 観測された相は、量子的フラストレーションと不規則性によって駆動されるランダムスピン状態と整合的か？

主な発見

• $^{35}$Cl NMRスペクトルは、Kitaev交換エネルギースケール未満で強い磁気的不均一性を示しており、これは希薄化に起因する局所的スピンフラクチュエーションの増幅を示している。
• スピン-格子緩和率$T_1^{-1}$は、臨界ドーピング濃度$x_c \approx 0.22$を示しており、この点で磁場誘起スピンギャップとゼロ場磁気秩序の両方が抑制されている。
• $x_c$において、ギャップレスな低エネルギースピン励起が緩和過程を支配しており、量子スピン液体状態の出現を示している。
• $x_c$で磁気秩序とスピンギャップが抑制される際、$T_1^{-1}$の温度依存性および磁場依存性に顕著な変化が観測され、これは量子相転移を示している。
• 観測された振る舞いは、Kitaev交換フラストレーションと非磁性ドーピングの相乗作用によって生じるランダムスピン状態の安定化と整合的である。