[논문 리뷰] Gapless excitations in the ground state of 1T-TaS$_2$

Amit Ribak, Itai Silber외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 27.

Organic and Molecular Conductors Research인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 180 K에서 Mott 전이를 보이는 Mott 절연체인 1T-TaS₂의 기초 상태를 조사하며, 열용량의 필드 의존성 선형 항을 통한 갭 없는 진동자극의 증거를 제공한다. 강한 절연 거동과 20 mK까지의 자화 정렬 없음에도 불구하고, 14 T에서 3배 감소하는 열용량의 선형 항은 갭 없는 스피노닉-유사 진동자극의 존재를 시사하며, 이는 가능성을 지닌 양자 스핀 액체 기초 상태를 지지한다.

ABSTRACT

1T-TaS$_2$ is a layered transition metal dichalgeonide with a very rich phase diagram. At T=180K it undergoes a metal to Mott insulator transition. Mott insulators usually display anti-ferromagnetic ordering in the insulating phase but 1T-TaS$_2$ was never shown to order magnetically. In this letter we show that 1T-TaS$_2$ has a large paramagnetic contribution to the magnetic susceptibility but it does not show any sign of magnetic ordering or freezing down to 20mK, as probed by $μ$SR, possibly indicating a quantum spin liquid ground state. Although 1T-TaS$_2$ exhibits a strong resistive behavior both in and out-of plane at low temperatures we find a linear term in the heat capacity suggesting the existence of a Fermi-surface, which has an anomalously strong magnetic field dependence.

연구 동기 및 목표

• 1T-TaS₂가 Mott 절연체임에도 불구하고 양자 스핀 액체(QSL) 기초 상태를 갖는지 확인하는 것.
• 절연 거동과 선형 항이 있는 열용량 사이의 명백한 모순을 해결하는 것 — 일반적으로 이는 피어미 표면을 시사한다.
• 필드 의존성 선형 열용량 항의 기원과 스핀 진동자극에 대한 영향을 조사하는 것.
• 20 mK까지의 무자기 스핀 릴랙세이션(μSR) 측정을 통해 자화 정렬을 배제하는 것.
• 관측된 선형 열용량이 잔류 금속 도핑의 기여인지, 아니면 QSL 상태에서 갭 없는 스피노닉 진동자극의 기여인지 명확히 하는 것.

제안 방법

• 장기 자화 정렬과 스핀 동결을 탐지하기 위해 20 mK까지의 무자기 스핀 릴랙세이션(μSR) 측정을 수행하였다.
• 180 K 이하에서 절연 거동을 확인하기 위해 평면 내 및 축 외 저항도를 측정하였으며, 활성화 온도 의존성을 보였다.
• 자기장 의존성에 따라 변화하는 선형 항 γ(H)를 추출하기 위해 열용량 측정을 수행하였다.
• Schottky 기여와 선형 기여를 조합한 모델을 사용하여 열용량 데이터를 피팅하고, γ(H) 항을 분리하였다.
• 삼각 격자에서 √13a 간격을 갖는 타이트 바인딩 모델을 사용하여, γ(0)와 필드 의존성으로부터 밴드폭을 추정하였다.
• 자기 순도를 파라자성 및 큐리-유사 기여 간에 구분하기 위해 자화율을 분석하였으며, 90–99.5%의 T-불변 응답을 발견하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1T-TaS₂는 20 mK까지 장기 자화 정렬 또는 스핀 동결을 보이나?
• RQ2 강한 절연 거동을 보이는 시스템에서 열용량의 선형 항은 무엇의 기원을 갖는가?
• RQ3 왜 열용량의 선형 계수 γ(H)는 강한 자기장 의존성을 보이는가?
• RQ4 관측된 선형 항은 c축 방향의 잔류 금속 도핑에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ5 시스템은 갭 없는 스피노닉 진동자극을 지닌 양자 스핀 액체 기초 상태와 일관된가?

주요 결과

• μSR 측정을 통해 20 mK까지의 1T-TaS₂에서 장기 자화 정렬 또는 스핀 동결을 관찰하지 못하였으며, 이는 장기 자화 정렬의 부재를 지지한다.
• 열용량은 자기장에 따라 변화하는 선형 항 γ(H)를 보이며, 14 T에서 3배 감소하여 강한 필드 의존성을 나타낸다.
• γ(0) 값은 약 6개의 전자 질량에 해당하는 효과 질량을 시사하며, 2D 타이트 바인딩 모델에서 약 160 meV의 밴드폭을 지닌다.
• γ(H)의 강한 필드 의존성은 전통적인 피어미 표면 또는 작은 밴드폭을 갖는 c축 금속 도핑에 대한 기대와 모순된다.
• 잔여 절연체에서와 같이, 필드 의존성 γ를 보이지 않는 시스템은 일반적으로 갭 없는 진동자극을 지닌 QSL 상태에서의 선형 항과 일치하지 않는다.
• 데이터는 갭 없는 스피노닉 진동자극을 지닌 양자 스핀 액체 상태와 가장 일치하지만, 비균일성에 의한 국소화는 영점에서 열전도도가 없는 현상을 설명할 수 있다.