[論文レビュー] Phase Diagram of $α$-RuCl$_3$ in an in-plane Magnetic Field

Jennifer Sears, Yang Zhao+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2017

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、中性子回折、磁化および比熱測定を用いて、面内磁場下におけるα-RuCl₃の磁気相図をマッピングした。8 Tの場磁界で、スピンズイッチング秩序が崩壊し、ギャップを持つ磁気励起状態が出現する場磁界駆動量子相転移が観測された。TcおよびギャップΔは、臨界場に近づくにつれてべき乗則に従ってスケーリングし、横磁場イジング模型の記述と整合的である。

ABSTRACT

The low-temperature magnetic phases in the layered honeycomb lattice material $α$-RuCl$_3$ have been studied as a function of in-plane magnetic field. In zero field this material orders magnetically below 7 K with so-called zigzag order within the honeycomb planes. Neutron diffraction data show that a relatively small applied field of 2 T is sufficient to suppress the population of the magnetic domain in which the zigzag chains run along the field direction. We found that the intensity of the magnetic peaks due to zigzag order is continuously suppressed with increasing field until their disappearance at $μ_o$H$_c$=8 T. At still higher fields (above 8 T) the zigzag order is destroyed, while bulk magnetization and heat capacity measurements suggest that the material enters a state with gapped magnetic excitations. We discuss the magnetic phase diagram obtained in our study in the context of a quantum phase transition.

研究の動機と目的

• 面内磁場下におけるα-RuCl₃の磁気相図を中性子回折およびマクロな測定を用いて特定すること。
• スピンズイッチング秩序の場磁界誘起抑制およびギャップを持つ励起を示す高場相の出現を調査すること。
• 観測された量子相転移が、横磁場イジング模型のような理論的モデルと整合するかどうかを評価すること。
• 面内磁場関数としての磁気秩序温度TcおよびエネルギーギャップΔのスケーリング行動を特徴付けること。
• 特に、高場相に磁気ギャップが存在するか否かについて、先行報告との矛盾を解消すること。

提案手法

• 低温度（2–6 K）における面内磁場依存の磁気ブラッグピーク強度の追跡を中性子回折を用いて行った。
• 同じ試料を用いて磁化および比熱測定を実施し、マクロな磁気応答を調べるとともに、高場相におけるエネルギーギャップΔを抽出した。
• 磁気ピーク強度の抑制をべき乗則（H − Hc)^2β*にフィットさせることで臨界場μ₀Hcを決定した。得られたβ* = 0.28であった。
• 磁気秩序パラメータの温度依存性を臨界定数β*にフィットさせ、臨界行動を評価した。
• 低温比熱データからエネルギーギャップΔを抽出し、Δ ∼ (H − Hc*)^zν にフィットした。zν ≈ 1であった。
• 実験的相境界を横磁場イジング模型（TFIM）の平均場相図と比較し、定性的な整合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 面内磁場はα-RuCl₃におけるスピンズイッチング秩序をどのように抑制するか。長距離秩序が消失するのはどの磁場か？
• RQ2 臨界場を超えた高場相の性質は何か。NMRの結果が示唆するように、ギャップを持つ磁気励起を示すか？
• RQ3 臨界場以下のTcおよび臨界場以上のΔというエネルギースケールが、べき乗則に従って臨界場に近づくか。これは量子臨界性を示唆するか？
• RQ4 観測された相図はどの程度、横磁場イジング模型の相図に類似しているか？
• RQ5 熱伝導率測定ではギャップレス励起が示唆されているが、NMRおよび比熱データではギャップを持つ相が示唆されている。その理由は何か？

主な発見

• α-RuCl₃におけるスピンズイッチング秩序は、面内磁場が増加するにつれて連続的に抑制され、臨界場μ₀Hc = 8 Tで完全に消失する。
• 中性子回折では、2 Tで1つのスピンズイッチング領域に起因する磁気ピーク強度が消失しており、磁気ドメインの場磁界誘起再配列を示している。
• 磁気秩序温度TcはTc(H) ∼ (Hc − H)^0.18とスケーリングし、量子臨界点近傍のべき乗則スケーリングと整合的である。
• 高場相におけるエネルギーギャップΔはΔ ∼ (H − Hc*)^zνとスケーリングし、zν ≈ 1である。ΔはHc* ≈ 6.5 Tで消失し、臨界場Hc = 8 Tよりもわずかに低い。
• 秩序パラメータのフィットから得られた臨界定数β* = 0.28は、2次元イジング模型の理論的値0.32に近く、量子臨界行動を支持する。
• 相図および臨界定数のスケーリングは、横磁場イジング模型の平均場相図と良好な定性的一致を示しており、この模型がα-RuCl₃における量子相転移の主要な側面を捉えている可能性を示唆している。