[論文レビュー] The planar thermal Hall conductivity in the Kitaev magnet α-RuCl3

Peter A. Czajka, Tong Gao+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2022

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、平面磁場下におけるKitaevスピン液体候補物質α-RuCl₃における平面的熱ホール電導度（κ_xy）を報告し、ボソン的エッジモード励起が支配する強いかかる温度依存性を明らかにした。データは半量子化された熱ホール電導度を排除し、高磁場下でチェーン数～1およびエネルギースケールω₁～1 meVを示しており、トポロジカルな磁気モードと鋭いESRモードと整合的である。これはマヨラナフェルミオンの痕跡を示す以前の主張に反する。

ABSTRACT

We report detailed measurements of the Onsager-like planar thermal Hall conductivity $κ_{xy}$ in $α$-RuCl$_3$, a spin-liquid candidate of topical interest. With the thermal current ${\bf J}_{ m Q}$ and magnetic field $\bf B\parallel a$ (zigzag axis), the observed $κ_{xy}/T$ varies strongly with temperature $T$ (1-10 K). The results are well-described by bosonic edge excitations which evolve to topological magnons at large $B$. Fits to $κ_{xy}/T$ yield a Chern number $\sim 1$ and a band energy $ω_1\sim$1 meV, in agreement with sharp modes seen in electron spin-resonance experiments. The bosonic character is incompatible with half-quantization of $κ_{xy}/T$.

研究の動機と目的

• α-RuCl₃における半量子化された熱ホール電導度に関する矛盾する報告を解消すること。
• Kitaevスピン液体候補物質における平面的熱ホール応答の微視的起源を特定すること。
• 観測されたκ_xy/Tがフェルミオン的マヨラナエッジモードかボソン的エッジ励起かに一貫しているかどうかを特定すること。
• チェーン数およびエッジモードのエネルギースケールを用いてスピン励起のトポロジカル特性を定量化すること。

提案手法

• T = 0.5–10.5 KおよびB = -13 から 13 Tの範囲で、a軸（ズイグザッグ方向）に沿った磁場下における熱ホール抵抗率λ_yxおよび縦方向熱電導度κ_xxの測定。
• 磁気カロリック効果および渦電流の過渡状態を抑えるために、各磁場ステップ後に150秒の遅延を設けたステッププローブプロトコルを用いる。
• 温度測定データ（T_\rm A, T_\rm B, T_\rm C）に対して磁場反対称化処理を施し、ΔT_\rm H^\rm asym（λ_yxに比例）を分離。
• λ_ijの行列逆転を用いて、λ_yxおよびλ_xxからκ_xy/Tを抽出。
• エネルギーがω₁およびω₂である2つのボソン的エッジモードのモデルにκ_xy/Tをフィットし、ボーズ＝アインシュタイン分布を用いる。
• 観測された有効チェーン数を\mathcal{C}_{\rm obs} = (\mathcal{K}_{\rm H}/T) / [c^{(1)}_2(\omega_1,T) - c^{(2)}_2(\omega_2,T)] として定義し、整数値と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 α-RuCl₃における平面的熱ホール電導度は、マヨラナ励起に起因する半量子化されたフェルミオン的エッジモードと整合するか？
• RQ2 Kitaev候補物質における観測されたκ_xy/T応答の微視的起源は何か？
• RQ3 高磁場下で熱ホール応答はトポロジカルな磁気モード状態に発展するか？
• RQ4 観測されたエッジモードエネルギーおよびチェーン数は、電子スピン共鳴（ESR）および中性子散乱から得られる値とどのように比較されるか？
• RQ5 なぜκ_xy/Tは低温で強く抑制され、これは励起の性質にどのような含意を持つのか？

主な発見

• 平面的熱ホール電導度κ_xy/Tには、半量子化の証拠がなく、フェルミオン的マヨラナ起源を排除する。
• データはω₁～1 meVおよびω₂～50 Kである2つのボソン的エッジモードでよく記述され、半量子化と矛盾するボソン的性質を示している。
• 有効チェーン数\mathcal{C}_{\rm obs}は9 T以上の磁場でプラトー状に～1に達し、トポロジカルな磁気モード相を示している。
• フィットから抽出されたエネルギーω₁は、高磁場下で鋭いESRモードCとよく一致し、B_c ≈ 7.3 T近傍の縮退したCおよびFモードとも一致する。
• κ_xy/Tの強いT依存性は、バルクスピンギャップではなく、エッジモードのボーズ＝アインシュタイン統計に起因する。
• 低磁場（B < 7 T）では、6.3 T付近のわずかな負のディップを除き、κ_xyは消えることから、ベリー曲率が弱く、非トポロジカルな振る舞いであることが示される。