[논문 리뷰] Observation of a gapless spin liquid in a diluted Kitaev honeycomb material

S.-H. Baek, Hyeon Woo Yeo외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 28.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 $^{35}$Cl NMR를 사용하여 희석된 Kitaev 허니컴 물질 $α$-Ru$_{1-x}$Ir$_x$Cl$_3$를 조사하여, 자기장 유도 스핀 갭과 영자기 상태가 소멸하는 임계 도핑 임계점 $x_c \approx 0.22$ 를 밝혀냈다. 연구 결과는 양자적 도전과 희석에 의한 불순물로 인한 불규칙성으로 인해 무간격 저에너지 스핀 진동이 나타나는 무작위 쌍 상태의 출현을 시사한다.

ABSTRACT

We report a $^{35}$Cl nuclear magnetic resonance (NMR) study of the diluted Kitaev material $\alpha$-Ru$_{1-x}$Ir$_x$Cl$_3$ ($x=0.1$ and $0.2$) where non-magnetic Ir$^{3+}$ dopants substitute Ru$^{3+}$ ions. Upon dilution, the $^{35}$Cl spectra exhibit unusual large magnetic inhomogeneity, which sets in at temperatures below the Kitaev exchange energy scale. At the same time, the $^{35}$Cl spin-lattice relaxation rate $T_1^{-1}$ as a function of dilution and magnetic field unravels a critical doping of $x_c\approx 0.22$, towards which both the field-induced spin gap and the zero-field magnetic ordering are simultaneously suppressed, while novel gapless low-energy spin excitations dominate the relaxation process. These NMR findings point to the stabilization of a random singlet phase in $\alpha$-Ru$_{1-x}$Ir$_x$Cl$_3$, arising from the interplay of dilution and exchange frustration in the quantum limit.

연구 동기 및 목표

• Kitaev 허니컴 물질 $α$-RuCl$_3$ 의 자기적 성질에 대한 비자기적 Ir$^{3+}$ 도핑의 영향을 조사하기 위해.
• 희석과 스핀 상호작용의 도전이 양자 한계에서 스핀 진동 스펙트럼에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 특히 무간격 스핀 액체 거동을 포함한 새로운 양자 스핀 상의 출현을 식별하기 위해.

제안 방법

• $x = 0.1$ 와 $0.2$ 인 $α$-Ru$_{1-x}$Ir$_x$Cl$_3$ 에서 $^{35}$Cl 핵자기공명(NMR) 측정을 수행하여 국소 자기 환경을 탐사하기 위해.
• 국소 스핀 변동으로 인한 자기적 비균일성을 감지하기 위해 $^{35}$Cl NMR 선형도를 분석하기 위해.
• 온도, 자기장, 도핑 농도에 따른 스핀-격자 리듬률 $T_1^{-1}$ 를 측정하여 저에너지 스핀 동역학을 추출하기 위해.
• 다양한 도핑 수준에서 $T_1^{-1}$ 의 행동을 비교하여 임계 도핑 임계점 $x_c \approx 0.22$ 를 식별하기 위해.
• 자기장 유도 스핀 갭과 영자기 자기 정렬의 억제를 양자 상전이의 지표로 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 α$-RuCl$_3$ 에서 비자기적 Ir$^{3+}$ 로 Ru$^{3+}$ 를 희석시키면 무간격 스핀 액체 상이 안정화되는가?
• RQ2 자기장 유도 스핀 갭과 영자기 자기 정렬이 동시에 소멸하는 임계 도핑 농도 $x_c$ 는 얼마인가?
• RQ3 Kitaev 스핀 상호작용 에너지 척도 이하에서 국소 자기 비균일성과 스핀 동역학은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 $x_c$ 근처에서 $T_1^{-1}$ 리듬률 과정을 지배하는 저에너지 스핀 진동의 성격은 무엇인가?
• RQ5 관측된 상은 양자적 도전과 불순물에 의한 무작위성에 의해 유도된 무작위 쌍 상태와 일치하는가?

주요 결과

• $^{35}$Cl NMR 스펙트럼은 Kitaev 스핀 상호작용 에너지 척도 이하에서 강한 자기적 비균일성을 나타내어, 희석으로 인한 국소 스핀 변동 증가를 시사한다.
• 스핀-격자 리듬률 $T_1^{-1}$ 은 임계 도핑 농도 $x_c \approx 0.22$ 를 밝혀내며, 이로써 자기장 유도 스핀 갭과 영자기 자기 정렬이 모두 억제됨을 확인한다.
• $x_c$ 에서는 무간격 저에너지 스핀 진동이 리듬률 과정을 지배하며, 이는 양자 스핀 액체 상태의 출현을 시사한다.
• $x_c$ 에서 자기 정렬과 스핀 갭의 억제는 $T_1^{-1}$ 의 온도 및 자기장 의존성에 명백한 변화를 수반하며, 이는 양자 상전이를 나타낸다.
• 관측된 행동은 Kitaev 스핀 상호작용의 도전과 비자기적 도핑의 상호작용에 의해 유도된 무작위 쌍 상태의 안정화와 일치한다.