[論文レビュー] Thermodynamic evidence for field-angle dependent Majorana gap in a Kitaev spin liquid

O. Tanaka, Yuta Mizukami+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2020

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 35被引用数 89

ひとこと要約

本研究は、α-RuCl3における場角依存のマヨラナギャップの直接的熱力学的証拠を、面内磁場を回転させた高分解能比熱測定を用いて提供する。ギャップに観察された六重節点構造（|cos 3φ|に比例）は、キタエフモデルが予測する拡散的マヨラナフェルミオンの性質を確認し、半整数の熱ホール効果量子化との一致を通じて、バルク-エッジ対応を確立する。

ABSTRACT

The exactly-solvable Kitaev model of two-dimensional honeycomb magnet leads to a quantum spin liquid (QSL) characterized by Majorana fermions, relevant for fault-tolerant topological quantum computations. In the high-field paramagnetic state of $\alpha$-RuCl3, half-integer quantization of thermal Hall conductivity has been reported as a signature of edge current, but the bulk nature of this state remains elusive. Here, from high-resolution heat capacity measurements under in-plane field rotation, we find strongly angle-dependent low-energy excitations in bulk $\alpha$-RuCl3. The excitation gap has a sextuple node structure, and the gap amplitude increases with field, exactly as expected for itinerant Majorana fermions in the Kitaev model. Our thermodynamic results are fully linked with the transport quantization properties, providing the first demonstration of the bulk-edge correspondence in a Kitaev QSL. Moreover, at higher fields where the quantum thermal Hall effect vanishes, we find the possible emergence of a novel nematic QSL state with two-fold rotational symmetry.

研究の動機と目的

• . α-RuCl3の低エネルギー励起スペクトルを高磁場パラメグネティック状態で調査すること。
• . キタエフモデルが予測するマヨラナギャップの場角依存性を検証すること。
• . キタエフ量子スピン液体のトポロジカル性質のバルク的証拠を確立すること。
• . キタエフQSLを超える新しい量子相の出現を調べること。

提案手法

• . 0.6 Kまで冷却した高品質な単結晶α-RuCl3を用いて、高分解能比熱測定を実施した。
• . ピエゾ駆動式回転装置により、α-RuCl3のヘキサゴナル格子面内での磁場回転を実現した。
• . 温度および磁場依存の比熱データを解析し、C/Tの指数関数的温度依存性からマヨラナギャップΔMを抽出した。
• . 有効な二準位モデルにデータをフィットさせ、ギャップを抽出し、理論予測と比較した。
• . 多くの磁場方向からのデータと対称性の考察を用いて、ギャップの角度依存性を再構成した。
• . C/T^3の発散ピーク温度Tmaxから、Z2フラックスギャップを抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 . キタエフモデルが予測するように、α-RuCl3のマヨラナ励起ギャップは、|cos 3φ|に比例する予想される場角依存性を示すか？
• RQ2 . 観察された場角依存ギャップは、キタエフ量子スピン液体のトポロジカル性質と整合的か？
• RQ3 . 熱ホール効果実験で観察されたエッジモードのバルク的証拠を、熱力学的測定が提供できるか？
• RQ4 . 熱ホール効果が消える高磁場領域における量子相転移の性質は何か？
• RQ5 . 回転対称性が破れる高磁場領域に、新しいネマチック量子スピン液体相が出現するか？

主な発見

• . α-RuCl3のマヨラナギャップは、角度依存性ΔM(φ) ∝ |cos 3φ|を示す六重節点構造を有し、キタエフモデルの予測と一致する。
• . ギャップの振幅は磁場とともに増加し、低エネルギー励起の拡散的マヨラナフェルミオン起源を確認する。
• . 熱力学的データは、半整数の熱ホール伝導度プラトーと完全に整合しており、キタエフ量子スピン液体におけるバルク-エッジ対応を確立する。
• . 高磁場領域（H > 10 T）では、熱ホール効果が消失し、二重対称性を示すネマチック量子スピン液体相の可能性が示唆される。
• . C/T^3発散のピーク温度TmaxはT^2_max ∝ H^3に比例し、場磁場依存のZ2フラックスギャップΔ_flux ∝ H^2を示唆する。
• . 特定熱およびギャップ構造の観察された角度依存性は、時間反転対称性およびキタエフモデルのトポロジカル分類と整合的である。