[論文レビュー] Spin-orbit-coupled triangular-lattice spin liquid in rare-earth chalcogenides

Jie Ma, Jianshu Li+21 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2020

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 59被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、Yb³⁺イオンの完全な三角格子を有する希土類 chalcogenide NaYbS₂ を対象とし、強いスピン軌道結合と幾何的縮重が、50 mK まで磁気秩序を抑制することを調査した。非弾性中性子散乱により、1.0 meV まで広がりのあるギャップレス励起スペクトルが観測され、ディラックスピン液体基底状態の支持が得られた。また、有限磁場下で秩序状態への遷移が観察され、モンテカルロシミュレーションによっても裏付けられた。

ABSTRACT

Spin-orbit coupling is an important ingredient in many spin liquid candidate materials, especially among the rare-earth magnets and Kitaev materials. We explore the rare-earth chalcogenides NaYbS$_2$ where the Yb$^{3+}$ ions form a perfect triangular lattice. Unlike its isostructural counterpart YbMgGaO$_4$ and the kagome lattice herbertsmithite, this material does not have any site disorders both in magnetic and non-magnetic sites. We carried out the thermodynamic and inelastic neutron scattering measurements. The magnetic dynamics could be observed with a broad gapless excitation band up to 1.0 meV at 50 mK and 0 T, no static long-range magnetic ordering is detected down to 50 mK. We discuss the possibility of Dirac spin liquid for NaYbS$_2$. We identify the experimental signatures of field-induced transitions from the disordered spin liquid to an ordered antiferromagnet with an excitation gap at finite magnetic fields and discuss this result with our Monte Carlo calculation of the proposed spin model. Our findings could inspire further interests in the spin-orbit-coupled spin liquids and the magnetic ordering transition from them.

研究の動機と目的

• スピン軌道結合が希土類三角格子材料におけるスピン液体状態の安定化に果たす役割を調査すること。
• スピン軌道結合が強く、不純物のない構造を有する NaYbS₂ が、スピン液体基底状態を有するかどうかを特定すること。
• スピン液体相から磁場誘起磁気秩序の実験的兆候を同定すること。
• 実験結果を、NaYbS₂ のための提案されたスピンモデルに基づくモンテカルロシミュレーションと比較すること。

提案手法

• 50 mK まで冷却し、最大 8 T の磁場をかけた単結晶 NaYbS₂ を用いて、熱力学的および非弾性中性子散乱測定を実施した。
• 磁気励起スペクトルの分析により、ギャップレスモードの同定とスピン液体性の評価を行った。
• スピン軌道結合と幾何的縮重を組み込んだスピンモデルに基づくモンテカルロシミュレーションを実施した。
• シミュレートされた相図と励起スペクトルを実験データと比較し、スピン液体状況の妥当性を検証した。
• 50 mK まで静的長距離磁気秩序が観測されないことを、スピン液体行動の主要基準とした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NaYbS₂ は、スピン軌道結合と幾何的縮重のおかげでスピン液体基底状態を有するか？
• RQ2 NaYbS₂ におけるディラックスピン液体の実験的兆候は何か？
• RQ3 磁場を印加することで、スピン液体から秩序状態への遷移はどのように誘起されるか？
• RQ4 提案されたスピンモデルのモンテカルロシミュレーションは、観測された中性子散乱データを再現できるか？

主な発見

• ゼロ磁場下で 50 mK まで静的長距離磁気秩序が検出されず、スピン液体基底状態の支持が得られた。
• 非弾性中性子散乱により、50 mK および 0 T で 1.0 meV まで広がりのあるギャップレス励起バンドが観測された。
• 有限磁場下で秩序状態への磁場誘起遷移が観察され、励起ギャップの開口が伴った。
• 実験的励起スペクトルは、NaYbS₂ におけるディラックスピン液体シナリオと整合的であった。
• 提案されたスピンモデルのモンテカルロシミュレーションは、観測された磁場誘起遷移および励起ギャップの主要特徴を再現した。