[논문 리뷰] A magnetic continuum observed by terahertz spectroscopy in a quantum spin liquid candidate BaCo$_2$(AsO$_4$)$_2$

Xinshu Zhang, Yuanyuan Xu외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 25.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 4

한 줄 요약

시간 영역 테라헤르츠 분광법을 사용하여, 이론적으로 예측된 양자 스핀 액체 상태를 지닌 후보 물질인 BaCo2(AsO4)2에서 약 4.5 T의 수직 자기장 조건에서 넓은 자기 연속스펙트럼을 관측하였다. 이 연속스펙트럼은 7 T까지 유지되며, 전통적인 면역모드와는 다름을 보이며, 비정상적인 분할된 진동자( fractionalized excitations)가 Kitaev 물리학에 부합하는 것으로 나타났다. 이는 비-Kitaev 상호작용이 감소한 시스템에서 발생한다.

ABSTRACT

Quantum spin liquids (QSLs) are topologically ordered exotic states of matter that host fractionalized excitations. Kitaev proposed a particular route towards a QSL via strongly bond-dependent interactions on the hexagonal lattice. A number of candidate Kitaev QSL materials have been pursued, but all have appreciable non-Kitaev interactions, which put these systems far from the QSL regime. Using time-domain terahertz spectroscopy (TDTS) we observed a broad magnetic continuum over a wide range of temperature and field in the honeycomb cobalt-based magnet, BaCo$_2$(AsO$_4$)$_2$, which has been proposed to be more ideal versions of a Kitaev QSL. Applying a small in-plane magnetic field of $\sim$ 0.5 T suppresses the magnetic order and at at even higher fields gives rise to a spin-polarized state. With 4T magnetic field oriented principally out-of-plane, a broad magnetic continuum was observed that could be consistent with a field induced QSL. Our results indicate BaCo$_2$(AsO$_4$)$_2$ to be a promising QSL candidate.

연구 동기 및 목표

• 시간 영역 테라헤르츠 분광법을 사용하여 BaCo2(AsO4)2의 자기 진동 스펙트럼을 연구한다.
• 이 물질이 외부 자기장에 의해 유도된 양자 스핀 액체 상태의 특징을 보이는지 확인한다.
• 면내 및 수직 자기장에 대한 반응을 측정하여 비-Kitaev 상호작용의 역할을 평가한다.
• 관측된 연속스펙트럼의 안정성과 성격을 전통적인 면역모드 및 비순환 상태 반응과 비교하여 평가한다.

제안 방법

• 시간 영역 테라헤르츠 분광법(TDTS)을 사용하여 BaCo2(AsO4)2의 동적 자기 반응을 온도 및 자기장 범위에서 측정하였다.
• 원형 편광 반응을 구분하고 전통적인 면역모드를 배제하기 위해 Faraday 기하학(k∥B) 및 수직 기하학(k⊥B)에서 측정하였다.
• 자기 감수도의 허수부 χ′′(ν)를 추출하고 스펙트럼 특징을 기술하기 위해 로렌츠 함수를 사용하여 피팅하였다.
• 면내 자기장(~0.5 T) 및 수직 자기장(최대 7 T)을 적용하여 자기 질서를 조절하고 연속스펙트럼의 발생을 탐색하였다.
• 중성자 산란 및 이론 예측과의 비교를 통해 Kitaev 모델의 맥락에서 데이터를 분석하였다.
• 감수도 및 자화 측정을 통해 작은 면내 자기장 존재를 추론하고 수직 전이에 대한 진짜 임계 자기장 크기를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BaCo2(AsO4)2에서 자기장 조절 조건 하에 분할된 스핀온 진동자가 나타나는 연속스펙트럼을 보이는가?
• RQ2 이론적으로 예측된 바와 같이, 수직 자기장이 이 물질에서 외부 자기장에 의해 유도된 양자 스핀 액체 상태를 안정화시키는가?
• RQ3 관측된 스펙트럼 특징은 전통적인 면역모드 또는 비순환 상태 반응과 어떻게 다를까?
• RQ4 비-Kitaev 상호작용은 자기 질서를 억제하고 연속스펙트럼의 발생을 어떻게 유도하는가?
• RQ5 관측된 연속스펙트럼은 분할된 진동자의 다중입자 연속스펙트럼과 안정적이고 일치하는가?

주요 결과

• 2–300 K 범위에서 BaCo2(AsO4)2에서 넓은 자기 연속스펙트럼이 관측되어 양자 스핀 액체 상태에서 분할된 진동자가 존재함을 시사한다.
• ~0.5 T의 작은 면내 자기장이 적용되면서 자기 질서가 억제되었으며, 이는 이 시스템에서 비-Kitaev 상호작용이 비교적 약하다는 것을 시사한다.
• 수직 자기장 약 4.5 T에서 날카운 면역모드가 완전히 억제되고 넓은 연속스펙트럼이 나타났으며, 이는 7 T까지 유지되었다.
• 좌우 원형 편광 상태 모두에서 연속스펙트럼이 관측되어, 광학 선택 규칙에 따라 전통적인 면역모드가 아니라는 것을 배제한다.
• 측정 기하학에서 q=0 성격과 안정성은 이 연속스펙트럼이 비순환 진동자나 국소적 상관관계에 기인하지 않음을 시사한다.
• k⊥B 기하학에서는 연속스펙트럼이 관측되지 않았고, 수직 자기장 조건에서만 k∥B 기하학에서 나타나는 것으로 보아, 이는 외부 자기장에 의해 유도된 양자 스핀 액체 상태의 기원을 더욱 뒷받침한다.