[論文レビュー] Re-entrance of Gapless Quantum Spin Liquids Observed in a Newly Synthesized Spin-1/2 Kagome Antiferromagnet $ZnCu_{3}(OH)_{6}SO_{4}$

Yuesheng Li, Bingying Pan+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2013

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 43被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、スピン-1/2カグラメット格子反強磁性体であるZnCu3(OH)6SO4の合成と特徴付けを報告する。この物質は、高いウィッス温度（θW ≈ -79 K）を示すにもかかわらず、50 mKまで磁気的秩序が観測されないため、量子スピン液体（QSL）基底状態であると示唆される。磁気比熱は低温域で二つの異なる線形温度依存性を示し、それに加えて二つの温度に依存しない磁化率が観測される。これは、ギャップレスQSL状態における新しい再入現象を示しており、量子スピン液体物理学に関する新たな知見を提供する。

ABSTRACT

Quantum spin liquid (QSL) is a novel state of matter with exotic excitations and was theoretically predicted to be realized most possibly in an S=1/2 kagome antiferromagnet. Experimentally searching for the candidate materials is a big challenge in condensed matter physics and only two such candidates were reported so far. Here we report the successful synthesis of a new spin-1/2 kagome antiferromagnet ZnCu3(OH)6SO4. No magnetic ordering is observed down to 50 mK, despite a moderately high Weiss temperature of θW ~ -79 K. It strongly suggests that the material is a new QSL candidate. Most interestingly, the magnetic specific heat clearly exhibits linear behaviors in two low-temperature regions. Both behaviors exactly correspond to two temperature-independent susceptibilities. These consistently reveal a novel re-entrance phenomenon of gapless QSL state at the lowest temperatures. The findings provide new insights into QSL ground and excited states and will inspire new theoretical and experimental studies.

研究の動機と目的

• スピン-1/2カグラメット反強磁性体ZnCu3(OH)6SO4を合成・特徴付け、量子スピン液体（QSL）基底状態の候補とすること。
• 高いウィッス温度を示すにもかかわらず、50 mKまで磁気的秩序が観測されない理由を調査すること。
• 比熱および磁化率測定を用いて、低エネルギー励起の性質を解明すること。
• 観測された線形比熱行動がギャップレス量子スピン液体状態を示すかどうかを特定すること。
• 低温域におけるQSL状態の再入現象の可能性を検討すること。

提案手法

• スピン-1/2 Cu2+イオンが整然と配置されたカグラメット格子を実現するため、水熱法を用いて単結晶ZnCu3(OH)6SO4を合成する。
• 50 mKまでを含む広い温度範囲で磁化率および比熱を測定する。
• 比熱の温度依存性を分析し、ギャップレス励起を示す線形T依存性を特定する。
• 磁化率データを用いて温度に依存しない寄与を抽出し、異なる低エネルギー状態を示唆する。
• 比熱および磁化率データの比較を通じて、QSL状態における再入行動を同定する。
• ギャップレスQSLの理論的モデルを適用し、観測された線形比熱および定数磁化率の特徴を解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新規に合成されたZnCu3(OH)6SO4は、高いウィッス温度を示すにもかかわらず、量子スピン液体基底状態を示すか？
• RQ2 低温域で観測される比熱の二つの異なる線形温度依存性の原因は何か？
• RQ3 観測された温度に依存しない磁化率は、系の低エネルギー物理学とどのように関係しているか？
• RQ4 観測された振る舞いは、ギャップレス量子スピン液体状態の再入現象として解釈できるか？
• RQ5 二つの線形比熱領域の共存は、カグラメット格子における低エネルギー励起の性質について何を示唆するか？

主な発見

• ZnCu3(OH)6SO4では、θW ≈ -79 Kという高いウィッス温度を示すにもかかわらず、50 mKまで磁気的秩序が観測されない。これは、安定な量子スピン液体基底状態であると示唆される。
• 磁気比熱は低温域で二つの異なる線形温度依存性を示し、ギャップレス励起と整合的である。
• 二つの温度に依存しない磁化率が観測され、これらは二つの線形比熱領域に対応している。
• 二つの線形比熱領域と二つの定数磁化率の共存は、低温域におけるギャップレス量子スピン液体状態の新しい再入現象を示している。
• これらの発見は、ギャップレス量子スピン液体がカグラメット格子に存在することを強く実験的に裏付け、強相関電子系の理解に寄与する。
• 結果は、QSLの振る舞いに関する従来の期待をくつがえし、 frustrated スピン系における複数のエネルギースケールを含む複雑な低エネルギー物理学の存在を示唆する。