[논문 리뷰] Kitaev quantum spin liquid - concept and materialization

H. Takagi, T. Takayama외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 19.

Advanced Condensed Matter Physics참고 문헌 100인용 수 10

한 줄 요약

이 리뷰는 관련 이리듐 및 루테늄 기반 물질에서 키타에프 양자 스핀 액체(QSL)를 실현하기 위한 이론적 프레임워크와 실험적 진전을 종합한다. 이는 $α$-RuCl$_3$와 H$_3$LiIr$_2$O$_6$와 같은 허브본 구조에서 스핀-오비탈 얽힘 $J_{\rm eff} = 1/2$ 모멘트가 분할된 메이저라나 페르미온을 수반하며, 자기장 하에서 QSL 거동과 이례적인 열전도성질의 증거를 보이며, 위상적 양자 물질로의 핵심 단계를 이루고 있음을 시사한다.

ABSTRACT

A decade ago, Alexei Kitaev proposed an exactly solvable $S$ = 1/2 model on a two-dimensional honeycomb lattice, where the spins fractionalize into Majorana fermions and form a topological quantum spin liquid (QSL) in the ground state. It was soon recognized that a family of complex iridium oxides, as well as ruthenium chloride, with honeycomb structure are magnetic insulators and accommodate essential ingredients of the Kitaev model, due to the interplay of electron correlation and spin-orbit coupling. This initiated a race to materialize the Kitaev QSL and to capture the signature of Majorana fermions. In this review, we provide a wide perspective of this rapidly growing field, including theory, materials and experiment. We first summarize the theoretical background of the Kitaev QSL ground state and its materialization using spin-orbital-entangled $J_{ m eff}$ = 1/2 moments. This is followed by an overview of candidate materials and their magnetic properties, including Na$_2$IrO$_3$, $α$, $β$, $γ$-Li$_2$IrO$_3$,$α$-RuCl$_3$ and H$_3$LiIr$_2$O$_6$. Finally, we review the latest exciting progress in the search for the Kitaev QSL. In particular, H$_3$LiIr$_2$O$_6$ and $α$-RuCl$_3$ in applied magnetic field show signatures of the QSL state, and $α$-RuCl$_3$ has unusual magnetic excitations and thermal transport properties that are consistent with spin fractionalization.

연구 동기 및 목표

• 키타에프 양자 스핀 액체(QSL) 기저 상태의 이론적 기초를 종합적으로 개괄하는 것.
• Na$_2$IrO$_3$, $\alpha$-RuCl$_3$, H$_3$LiIr$_2$O$_6$와 같은 후보 물질 — 키타에프 QSL를 실현하는 데 필수적인 조건을 갖춘 물질 — 를 식별하고 분석하는 것.
• 자기장 하에서의 키타에프 QSL의 실험적 징후, 특히 스핀 분할과 위상적 순서를 다루는 것, 특히 $α$-RuCl$_3$에서의 실험적 징후.
• 스핀-오비탈 결합과 전자 상호작용이 키타에프 모델에 핵심적인 $J_{\rm eff} = 1/2$ 모멘트를 안정화시키는 데 미치는 역할을 평가하는 것.
• 최근의 열전도성질 및 자기장 자극 스펙트럼 분석을 통해 메이저라나 페르미온 행동과 일치하는 진전을 강조하는 것.

제안 방법

• 스핀-1/2 자유도를 갖는 허브본 격자에서 정확히 해를 구할 수 있는 키타에프 모델의 이론적 분석.
• 스핀-오비탈 얽힘 이론을 활용해 5d 전이 금속 산화물에서 $J_{\rm eff} = 1/2$ 효과적 모멘트를 식별하는 것.
• ab initio 계산과 대칭성 분석을 통해 후보 물질에서 키타에프 유형의 스핀 상호작용의 관련성을 규명하는 것.
• 다양한 이리듐 및 루테늄 화합물 간의 자기적 성질 — 스핀 액체 거동, 이방성 스핀 상호작용, 자기장 유도 전이 — 를 비교하는 것.
• 고자기장 하에서 중성자 산란, 비열, 열전도도, 자화도의 실험 데이터를 해석하는 것.
• 관측된 분할된 진동자와 메이저라나 페르미온 간의 연결을 위해 위상적 장 이론을 적용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 물질이 키타에프 QSL를 실현하기 위해 필요한 스핀-오비탈 결합 $J_{\rm eff} = 1/2$ 모멘트를 갖는가?
• RQ2 분할된 메이저라나 페르미온을 수반하는 양자 스핀 액체의 존재를 확인할 수 있는 실험적 징후는 무엇인가?
• RQ3 자기장과 격자 구조는 $α$-RuCl$_3$와 같은 후보 물질에서 키타에프 QSL의 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 $\alpha$-RuCl$_3$와 H$_3$LiIr$_2$O$_6$에서 열전도성질과 자기장 자극 스펙트럼은 스핀 분할을 어느 정도 지지하는가?
• RQ5 전자 상호작용과 오비탈 혼합은 키타에프 스핀 액체 상을 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• H$_3$LiIr$_2$O$_6$는 필드 조절 양자 스핀 액체 상태의 징후를 보이며, 비가시적 스핀온 진동자에 대한 증거가 있다.
• $\alpha$-RuCl$_3$는 고자기장 하에서 분할된 메이저라나 페르미온과 일치하는 이례적인 자기적 진동자를 나타낸다.
• $\alpha$-RuCl$_3$에서의 열전도도 측정은 저온에서 온도에 선형적으로 의존함을 보이며, 비가시적 분할된 준입자들이 있음을 시사한다.
• $\alpha$-RuCl$_3$의 스핀 액체 거동은 강한 스핀-오비탈 결합과 결합 이방성 키타에프 스핀 상호작용에 의해 안정화된다.
• Na$_2$IrO$_3$와 $\beta$-Li$_2$IrO$_3$는 스핀 액체 유사 거동를 보이지만, 저온에서 자기적 질서가 발생함으로써 덜 유망하다.
• 이론적 모델링은 5d 이리데이트에서 $J_{\rm eff} = 1/2$ 모멘트가 키타에프 QSL를 실현하는 데 핵심적이며, 스핀-오비탈 얽힘이 자기적 질서를 억제함을 확인한다.