[論文レビュー] Oscillations of the thermal conductivity in the spin-liquid state of α-RuCl₃

Peter Czajka, Tong Gao+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2021

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 37被引用数 186

ひとこと要約

本研究では、磁場（7.3–11 T）下における量子スピン液体（QSL）相におけるα-RuCl3の熱伝導度において、大振幅の量子振動を報告している。物質は1.9 eVのギャップを持つ絶縁体であるにもかかわらず、その振動は1/Hの周期性を示し、強い磁場および温度依存性を示す。これはQSL状態固有の性質であり、スピンオンフェルミ面の可能性を示唆しており、周期性は面内磁場成分Haによって制御される。

ABSTRACT

In the class of materials called spin liquids a magnetically ordered state cannot be attained even at millikelvin temperatures because of conflicting constraints on each spin; for example, from geometric or exchange frustration. The resulting quantum spin-liquid state is currently of intense interest because it exhibits unusual excitations as well as wave-function entanglement. The layered insulator α-RuCl₃ orders as a zigzag antiferromagnet at low temperature in zero magnetic field. The zigzag order is destroyed when a magnetic field is applied parallel to the zigzag axis. At moderate magnetic field strength, there is growing evidence that a quantum spin-liquid state exists. Here we report the observation of oscillations in its thermal conductivity in that field range. The oscillations, whose amplitude is very large within this field range and strongly suppressed on either side, are periodic. This is analogous to quantum oscillations in metals, even though α-RuCl₃ is an excellent insulator with a large gap. As the temperature is raised above 0.5 K, the oscillation amplitude decreases exponentially, anticorrelating with the emergence of an anomalous planar thermal Hall conductivity above approximately 2 K.

研究の動機と目的

• 高磁場下におけるα-RuCl3の量子スピン液体（QSL）状態における熱輸送の性質を調査すること。
• 観測された熱伝導度の振動が、QSL相における電子的またはトポロジカル励起状態に関連する内在的性質であるかどうかを特定すること。
• 磁場の向きと温度が振動行動に与える影響、およびそれらがQSL状態とどのように関連するかを解明すること。
• 歪みや格子欠陓といった外的要因を除外し、振動がQSL状態の基本的性質であることを確認すること。

提案手法

• 0.43 Kまで冷却可能なデュアルリフリッジを用いて、単結晶α-RuCl3試料における熱伝導度（κxx）および熱ホール伝導度（κxy）を測定した。
• 磁気カロリック効果を補正するための段階的磁場法を採用し、κxx測定における正確な磁場スイープを確保した。
• a-c面内での磁場傾き実験を実施し、面内成分（Ha）を分離し、振動周期がHaに依存するかを検証した。
• 微分解析（dκxx/dB）を用いて極値を特定し、Hの周期性ではなく1/Hの周期性を明確にした。
• 極値の間の中点を通る滑らかな背景曲線（κbg）をフィットさせ、その差分として振動振幅（∆κamp）を抽出した。
• κxxがフォノンに支配される偏極状態におけるフォノン熱伝導度（κph）を用いて、振動振幅と格子不純度の関係を相関させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 α-RuCl3における観測された熱伝導度の振動は、QSL状態固有のものであり、実験的条件に起因するアーティファクトではないか？
• RQ2 振動の磁場および温度依存性は何か？ それらはα-RuCl3の相図とどのように相関するか？
• RQ3 自由電子が存在しない絶縁体であるにもかかわらず、なぜ振動がHではなく1/Hの周期性を示すのか？
• RQ4 面内磁場成分（Ha）が振動周期をどのように制御するのか？ これにより、背後にあるフェルミ面の性質はどのような示唆を与えるか？
• RQ5 2 K以上で顕著な平面内熱ホール伝導度（κxy）が出現する現象と、振動との関係は何か？

主な発見

• κxxにおける振動は0.43 Kで全熱伝導度の30–60%に達し、QSL相（7.3–11 T）内では9.6 Tで急激にピークに達する。
• 振動周期は1/Hに対して厳密に周期的であり、高磁場域の傾きSf = 41.4 T（H ∥a）および低磁場域の傾きSf = 30.6 Tを示し、非自明なフェルミ面に類似した挙動を示す。
• 磁場を平面外に傾ける実験により、振動周期は面内成分Haにのみ依存することが判明し、振動メカニズムの面内性を確認した。
• 11 Tを超える領域では、磁場偏極状態に移行し、振動は急激に消失する。これはギャップを持つ非QSL領域では振動が存在しないことを確認する。
• 振動振幅は2 K以上で顕著に現れる異常な平面内熱ホール伝導度（κxy）の出現と反比例しており、両現象の間で競合または相互作用がある可能性を示唆する。
• 試料3は試料1に比べて6倍の大きな振動振幅を示し、これは偏極状態におけるフォノン熱伝導度から推定される格子不純度の高さと相関している。