[논문 리뷰] Evidence for a Z$_2$ topological ordered quantum spin liquid in a kagome-lattice antiferromagnet

Wei Yuan, Zili Feng외 13명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 09.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 킬로메-격자 반자성체 Cu₃Zn(OD)₆FBr에서 Z₂ 위상순서를 가진 양자 스핀 유체의 실험적 증거를 제공한다. 계면의 Cu²⁺ 농도가 극적으로 변화함에도 불구하고 스핀 진동수는 여전히 갭이 있고 연속적임을 보여, 자성 불순물에 대해 강건함을 입증하며, Z₂ 위상순서를 가진 갭이 있는 양자 스핀 유체 상태가 존재함을 확인한다.

ABSTRACT

A quantum spin liquid with a $Z_2$ topological order has long been thought to be important for the application of quantum computing and may be related to high-temperature superconductivity. While a two-dimensional kagome antiferromagnet may host such a state, strong experimental evidences are still lacking. Here we show that the spin excitations from the kagome planes in magnetically ordered Cu$_4$(OD)$_6$FBr and non-magnetically ordered Cu$_3$Zn(OD)$_6$FBr are similarly gapped although the content of inter-kagome-layer Cu$^{2+}$ ions changes dramatically. This suggests that the spin triplet gap and continuum of the intrinsic kagome antiferromagnet are robust against the interlayer magnetic impurities. Our results show that the ground state of Cu$_3$Zn(OD)$_6$FBr is a gapped quantum spin liquid with Z$_2$ topological order.

연구 동기 및 목표

• 킬로메-격자 양자 스핀 유체에서 Z₂ 위상순서의 실험적 서명을 규명하는 것.
• 계면 자성 불순물 존재 시 스핀 진동수의 안정성을 조사하는 것.
• Cu₃Zn(OD)₆FBr의 기저 상태가 갭이 있는 양자 스핀 유체 상을 나타내는지 확인하는 것.
• 자기적 질서가 없는 킬로메-격자 시스템과 자기적 질서가 있는 시스템 간의 스핀 진동수 스펙트럼을 비교하는 것.

제안 방법

• 자기적 질서가 있는 Cu₄(OD)₆FBr와 자기적 질서가 없는 Cu₃Zn(OD)₆FBr 두 가지 킬로메-격자 화합물의 중성자 산란 데이터를 비교하는 것.
• 스핀 트리플렛 갭의 존재와 강건성을 확인하기 위해 스핀 진동수 스펙트럼을 분석하는 것.
• 계면 자성 농도의 차이에도 불구하고 두 물질 간의 스핀 진동수 연속체를 평가하는 것.
• 장거리 자기적 질서가 없는 조건에서 갭이 있는 진동수 스펙트럼의 유사성을 위상순서의 서명으로 사용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 킬로메-격자 양자 스핀 유체에서 Z₂ 위상순서의 실험적 증거를 식별할 수 있는가?
• RQ2 계면 자성 불순물은 킬로메-격자 반자성체의 스핀 진동수 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기본 킬로메-격자 반자성체에서 스핀 갭은 계면 자성 농도 변화에 대해 강건한가?
• RQ4 Cu₃Zn(OD)₆FBr에서 장거리 자기적 질서가 없는 것은 갭이 있는 양자 스핀 유체 기저 상태를 의미하는가?

주요 결과

• Cu₄(OD)₆FBr와 Cu₃Zn(OD)₆FBr에서 스핀 진동수 스펙트럼은 계면의 Cu²⁺ 농도가 극적으로 변화함에도 유사한 갭이 있는 연속체를 보인다.
• 두 화합물 모두에서 스핀 트리플렛 갭과 연속체의 지속성은 계면 자성 불순물에 대한 강건성을 나타낸다.
• 관측된 스펙트럼 유사성은 Cu₃Zn(OD)₆FBr에서 갭이 있는 양자 스핀 유체 기저 상태 존재를 뒷받침한다.
• 결과는 킬로메-격자 반자성체에서 Z₂ 위상순서에 대한 강력한 실험적 증거를 제공한다.