[論文レビュー] Proximate Kitaev Quantum Spin Liquid Behaviour in {\alpha}-RuCl$_3$

Arnab Banerjee, Craig A. Bridges+14 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2015

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 52被引用数 853

ひとこと要約

本研究は、α-RuCl₃が近接したキタエフ量子スピン液体（QSL）行動を示す実験的証拠を提供しており、強いスピン軌道結合（λ ≈ 130 meV）、QSL相と整合する低温磁気秩序、および分離可能なマジョラナフェルミオンとゲージフラックス励起の理論予測と一致する非弾性中性子散乱における動的応答を示している。この材料は、高い中性子透過性と強固なスピン軌道結合を有するため、分数化キタエフ物理学を実現するための最適な候補とされている。

ABSTRACT

Topological states of matter such as quantum spin liquids (QSLs) are of great interest because of their remarkable predicted properties including protection of quantum information and the emergence of Majorana fermions. Such QSLs, however, have proven difficult to identify experimentally. The most promising approach is to study their exotic nature via the wave-vector and intensity dependence of their dynamical response in neutron scattering. A major search has centered on iridate materials which are proposed to realize the celebrated Kitaev model on a honeycomb lattice - a prototypical topological QSL system in two dimensions (2D). The difficulties of iridium for neutron measurements have, however, impeded progress significantly. Here we provide experimental evidence that a material based on ruthenium, {\alpha}-RuCl$_3$ realizes the same Kitaev physics but is highly amenable to neutron investigation. Our measurements confirm the requisite strong spin-orbit coupling, and a low temperature magnetic order that matches the predicted phase proximate to the QSL. We also show that stacking faults, inherent to the highly 2D nature of the material, readily explain some puzzling results to date. Measurements of the dynamical response functions, especially at energies and temperatures above that where interlayer effects are manifest, are naturally accounted for in terms of deconfinement physics expected for QSLs. Via a comparison to the recently calculated dynamics from gauge flux excitations and Majorana fermions of the pure Kitaev model we propose {\alpha}-RuCl$_3$ as the prime candidate for experimental realization of fractionalized Kitaev physics.

研究の動機と目的

• キタエフ量子スピン液体（QSL）物理学を実験的に実現する材料系を同定・特徴付けること。
• α-RuCl₃における低温磁気秩序に関する矛盾する報告を、積層欠険および層状構造と関連付けること。
• α-RuCl₃が分数化励起の研究に向けた中性子散乱実験の実用的プラットフォームとして成立することを確立すること、イリジド材料の制限を克服すること。
• ルトニウムを主体とする系において、キタエフ物理学に不可欠な強いスピン軌道結合が存在することを確認すること。
• 測定された動的応答を純粋なキタエフモデルの理論予測と比較し、QSLに近接していることを検証すること。

提案手法

• スパラレーション中性子源のSEQUOIAチャネルスペクトロメータを用いた非弾性中性子散乱（INS）により、Ei = 8, 25, 1500 meVで動的スピン応答を測定した。
• POWGENおよびHB-1Aビームラインでの中性子回折により、結晶構造および磁気構造（磁気秩序波数および磁気モーメント）を決定した。
• 195 ± 11 meVのRu³⁺基底状態と励起状態間の中性子非弾性遷移から、スピン軌道結合定数（λ）を抽出した。
• FULLPROFを用いた構造精査およびSpinWを用いたスピン波理論シミュレーションにより、磁気励起状態をモデル化した。
• 比熱および磁化率の温度依存性の分析により、磁気転移と相関をとらせた。
• 測定されたINSスペクトルを、純粋なキタエフモデルにおけるゲージフラックスおよびマジョラナフェルミオン励起の理論計算と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 α-RuCl₃は、特に脱コンfinement物理学が予想されるキタエフ量子スピン液体の動的応答を示すか？
• RQ2 α-RuCl₃における矛盾する低温磁気転移は、積層欠陥および層状構造によって説明可能か？
• RQ3 α-RuCl₃におけるスピン軌道結合は、キタエフモデルが要請するように十分に強く、キタエフ物理学を支えるものか？
• RQ4 α-RuCl₃における測定された磁気励起状態は、純粋なキタエフモデルの理論予測と定量的にどの程度一致するか？
• RQ5 中性子透過性および構造的性質を考慮すると、α-RuCl₃は分数化励起の研究に実用的な実験的プラットフォームとして成立するか？

主な発見

• α-RuCl₃におけるスピン軌道結合定数はλ ≈ 130 meVと測定され、自由イオン値（150 meV）に近く、キタエフ物理学に不可欠な強いスピン軌道結合が確認された。
• 中性子回折により単結晶で二つの異なる磁気相が同定された：14 K未塔で波数q1 = (1/2 0 3/2)の相と、8 K未塔でq2 = (1/2 0 1)の相で、それぞれABCABCおよびABAB積層秩序に対応する。
• 磁気秩序モーメントは極めて低く、上限がµ = 0.4 ± 0.1 µBと評価され、近い量子スピン液体状態に一致する強い量子揺らぎを示している。
• 特に層間結合効果を超えるエネルギー領域における非弾性中性子散乱の動的応答は、キタエフQSLに予想される脱コンfinement物理学によりよく記述されており、ゲージフラックスおよびマジョラナフェルミオン励起の理論予測と一致している。
• 2次元層状構造内の積層欠陥が、比熱および磁化率で観察された複雑な磁気転移行動を説明でき、過去に矛盾する報告がなされた問題を統合的に解消している。
• α-RuCl₃は、強いスピン軌道結合、中性子透過性、理論的動的応答との整合性から、キタエフおよび量子スピン液体物理学の実験的実現のための最適な候補とされている。