[논문 리뷰] Field-Induced Spin Excitations in the Spin-1/2 Triangular-Lattice Antiferromagnet CsYbSe$_2$

Tao Xie, Jie Xing외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 23.

Advanced Condensed Matter Physics참고 문헌 52인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 스핀-1/2 삼각격자 반자성체 CsYbSe2에 대한 최초의 현장 내 비탄성 중성자 산란 조사로, 자장을 통해 영향을 받는 전이가 영구적인, 연속적인 스핀 진동수에서 0 T에서의 급격한 면모 모드로의 변화를 드러내었다. 실험 데이터는 등방성 헤이젠베르크 모델을 사용한 대규모 밀도행렬의 재정규화 그룹(DMRG) 계산을 통해 정량적으로 재현되었으며, 이는 스핀 동역학이 근처 이웃 상호작용에 의해 지배되며 CsYbSe2가 양자 스핀 액체와 120° 정렬된 상 사이의 임계 영역에 위치해 있음을 확인한다.

ABSTRACT

A layered triangular lattice with spin-1/2 ions is an ideal platform to explore highly entangled exotic states like quantum spin liquid (QSL). Here, we report a systematic in-field neutron scattering study on a perfect two-dimensional triangular-lattice antiferromagnet, CsYbSe$_2$, a member of the large QSL candidate family rare-earth chalcogenides. The elastic neutron scattering measured down to 70 mK shows that there is a short-range 120$^{\circ}$ magnetic order at zero field. In the field-induced ordered states, the spin-spin correlation lengths along the $c$ axis are relatively short, although the heat capacity results indicate long-range magnetic orders at 3 T $-$ 5 T. The inelastic neutron scattering spectra evolve from highly damped continuum-like excitations at zero field to relatively sharp spin wave modes at the plateau phase. Our extensive large-cluster density-matrix renormalization group calculations with a Heisenberg triangular-lattice nearest-neighbor antiferromagnetic model reproduce the essential features of the experimental spectra, including continuum-like excitations at zero field, series of sharp magnons at the plateau phase as well as two-magnon excitations at high energy. This work presents comprehensive experimental and theoretical overview of the unconventional field-induced spin dynamics in triangular-lattice Heisenberg antiferromagnet and thus provides valuable insight into quantum many-body phenomena.

연구 동기 및 목표

• 스핀-1/2 삼각격자 반자성체인 CsYbSe2에서 자장에 의해 유도되는 스핀 동역학을 조사하기 위해, 양자 스핀 액체(QSL) 행동의 후보자로 여겨지는 시스템을 연구한다.
• 관측된 0 T에서의 연속 상태 유사 진동수가 진정한 양자 스핀 액체 물리현상에서 기인하는지 또는 불순물 효과에서 기인하는지 확인한다.
• 관측된 비탄성 중성자 산란 스펙트럼과 과도한 자성체에서 스핀 진동수의 이론 모델 간의 정량적 연결을 수립한다.
• 청결하고 불순물이 없는 시스템에서 자장 하에 존재하는 자기 기저 상태와 상전이의 성격을 명확히 한다.
• 등방성 헤이젠베르크 모델이 다양한 자장에 의해 유도된 상에서 스핀 동역학을 기술하는 데 얼마나 타당한지 평가한다.

제안 방법

• 스패라션 중성자원에서 단결정 비탄성 중성자 산란(INS)을 수행하여 0 T에서 8 T까지의 스핀 진동수 스펙트럼을 측정하였다.
• 70 mK에서의 탄성 중성자 산란은 장거리 순서가 없음에도 불구하고 120° 자기 순서의 국소적 순서를 확인하였다.
• 등방성 헤이젠베르크 해밀토니안과 근처 이웃 반자성 상호작용을 사용하여 유한 크기의 클러스터에서 대규모 밀도행렬의 재정규화 그룹(DMRG) 계산을 수행하여 스핀 진동수 스펙트럼을 시뮬레이션하였다.
• 이론적 스펙트럼을 실험 데이터와 직접 비교하여 모델의 타당성을 검증하고 양자 조건과 이방성의 역할을 평가하였다.
• 자기장 의존 열용량과 중성자 회절 데이터를 사용하여 B–T 상도를 구성하고 3–5 T에서 자장에 의해 유도된 장거리 순서를 식별하였다.
• 이론적 계산에는 면모 모드, 두 면모 진동수, 고에너지에서의 공명 유사 특징 분석이 포함되었으며, 이는 스핀온 연속체와 가시된 모드와 일치한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CsYbSe2에서 0 T에서의 연속 상태 유사 진동수는 진정한 양자 스핀 액체에서 기인하는 것인가, 아니면 불순물에 의해 유도된 결과인가?
• RQ2 0 T에서의 비일관성 있고 넓은 연속 모드에서 자장을 가한 상태에서의 일관성 있는 면모 모드로 스핀 진동수가 어떻게 변화하는가?
• RQ3 삼각격자에서의 등방성 헤이젠베르크 모델이 CsYbSe2에서 관측된 자장에 의해 유도된 스핀 동역학을 얼마나 정량적으로 기술할 수 있는가?
• RQ4 CsYbSe2의 자기 기저 상태는 무엇이며, 이는 양자 스핀 액체와 120° 정렬된 상 사이의 양자 임계점 근처에 있는가?
• RQ5 관측된 자장에 의해 유도된 면모 모드와 그 수명의 증가가 1/3 자화 플레이트오우 형성과 일치하는가?

주요 결과

• 70 mK에서의 탄성 중성자 산란은 0 T에서 국소적 120° 자기 순서를 확인하였으며, 이는 시스템이 양자 임계점 근처에 있음을 시사한다.
• 0 T에서의 비탄성 중성자 산란은 브릴루앙 존의 K점(1/3, 1/3, 0) 중심에 위치한 매우 감쇠된 연속 상태 유사 진동수 스펙트럼을 보이며, 최대 2.5 meV까지 연장된다.
• 3–5 T의 1/3 자화 플레이트오우 상에서 스핀 진동수는 날카롭고 잘 정의된 면모 모드로 변화하며, 이는 일관된 면모 파동의 전파를 나타낸다.
• 등방성 헤이젠베르크 모델을 사용한 DMRG 계산은 실험 스펙트럼을 정량적으로 재현하였으며, 이는 0 T에서의 연속 상태, 플레이트오우 상에서의 날카로운 면모, 고에너지에서의 두 면모 진동수를 포함한다.
• 실험과 이론 간의 일치는 CsYbSe2의 스핀 동역학이 주로 등방성 근처 이웃 반자성 상호작용에 의해 지배되며, 이방성은 최소한으로 영향을 미친다는 것을 뒷받침한다.
• 국소적 120° 순서와 무한 연속 상태 진동수의 공존은 CsYbSe2가 120° 정렬 상과 잠재적 양자 스핀 액체 상 사이의 임계 영역에 위치해 있음을 시사한다.