[논문 리뷰] Oscillations of the thermal conductivity in the spin-liquid state of α-RuCl₃

Peter Czajka, Tong Gao외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 22.

Advanced Condensed Matter Physics참고 문헌 37인용 수 186

한 줄 요약

이 연구는 자기장(7.3–11 T) 하에서 양자 스핀 액체(QSL) 상태에 있는 α-RuCl3의 열전도도에서 큰 진폭의 양자 진동을 보고한다. 이는 1.9 eV의 갭을 가진 절연체임에도 불구하고 발생한다. 진동은 1/H에 대해 주기적이며, 강한 자기장 및 온도 의존성을 보이며, QSL 상태의 본질적인 성질로, 스핀온 페르미 표면의 가능성을 시사한다. 이 주기성은 면내 자기장 성분 Ha에 의해 결정된다.

ABSTRACT

In the class of materials called spin liquids a magnetically ordered state cannot be attained even at millikelvin temperatures because of conflicting constraints on each spin; for example, from geometric or exchange frustration. The resulting quantum spin-liquid state is currently of intense interest because it exhibits unusual excitations as well as wave-function entanglement. The layered insulator α-RuCl₃ orders as a zigzag antiferromagnet at low temperature in zero magnetic field. The zigzag order is destroyed when a magnetic field is applied parallel to the zigzag axis. At moderate magnetic field strength, there is growing evidence that a quantum spin-liquid state exists. Here we report the observation of oscillations in its thermal conductivity in that field range. The oscillations, whose amplitude is very large within this field range and strongly suppressed on either side, are periodic. This is analogous to quantum oscillations in metals, even though α-RuCl₃ is an excellent insulator with a large gap. As the temperature is raised above 0.5 K, the oscillation amplitude decreases exponentially, anticorrelating with the emergence of an anomalous planar thermal Hall conductivity above approximately 2 K.

연구 동기 및 목표

• 고자기장 하에서 α-RuCl3의 양자 스핀 액체(QSL) 상태에서의 열전도성질을 조사하기 위해.
• 관측된 열전도도 진동이 QSL 상에서 전자적 또는 위상적 진동에 기인한 본질적인 성질인지 확인하기 위해.
• 자기장 방향과 온도가 진동 행동에 미치는 영향과 QSL 상과의 연관성을 탐색하기 위해.
• 잔류 변형이나 격자 결함과 같은 외재적 기원을 배제하고, 진동이 QSL 상태의 기본적 성질임을 확인하기 위해.

제안 방법

• 저온까지 내리기 위한 냉각기(디일루션 냉각기)를 사용하여 단결정 α-RuCl3 시료에서 열전도도(κxx)와 열홀름 전도도(κxy)를 측정하였다.
• 자기열 효과를 보정하기 위해 스텝형 자기장 방법을 적용하여 κxx 측정의 정확한 자기장 스우핑을 확보하였다.
• a-c 평면 내에서 자기장 기울임 실험을 수행하여 면내 성분(Ha)을 분리하고, 진동 주기의 Ha에 대한 의존성을 시험하였다.
• 도함수 분석(dκxx/dB)을 통해 극대값을 식별하고 1/H에 대한 주기성을 확인하여 H에 대한 주기성과 구별하였다.
• 극대값 사이의 중간점들을 통과하는 부드러운 배경 곡선(κbg)을 피팅하여 진동 진폭(∆κamp)을 추출하였다.
• 열전도도가 포논에 의해 지배되는 극화 상태에서 포논 열전도도(κph)를 통해 진동 진폭과 격자 불순물 간의 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 α-RuCl3의 열전도도 진동은 양자 스핀 액체 상태의 본질적인 성질인지, 실험 조건에 기인한 오염인지?
• RQ2 진동의 자기장 및 온도 의존성은 α-RuCl3의 상도표와 어떻게 관련되어 있으며, 어떤 의미를 갖는가?
• RQ3 자기장이 자유 운반자 없이도 이 절연체에서 1/H 주기성으로 진동을 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ4 면내 자기장 성분(Ha)이 진동 주기를 어떻게 제어하며, 이는 기초적인 페르미 표면에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 2 K 이상에서 계획적 열홀름 전도도(κxy)가 나타나는 것과 진동 간의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 0.43 K에서 κxx의 진동 진폭은 총 열전도도의 30–60%에 이르며, QSL 상(7.3–11 T) 내에서 9.6 T에서 날카롭게 최대화된다.
• 진동 주기는 엄격히 1/H에 대해 주기적이며, 고자기장 기울기 Sf = 41.4 T(H ∥a)와 저자기장 기울기 Sf = 30.6 T를 보이며, 비정상적인 페르미 표면 유사 행동을 시사한다.
• 자기장을 평면 외로 기울여보면 진동 주기가 오직 면내 성분 Ha에 의존함을 확인하여 진동 메커니즘이 면내 성질임을 입증한다.
• 11 T 이상에서는 자기장 극화 상태에 진동이 갑작스럽게 사라지며, 갭이 존재하고 QSL가 아닌 영역에서 진동이 없음을 확인한다.
• 진동 진폭은 2 K 이상에서 비정상적인 계획적 열홀름 전도도(κxy)의 발생과 반비례하며, 두 현상 간의 경쟁 또는 상호작용을 시사한다.
• 샘플 3은 샘플 1보다 6배 더 큰 진동 진폭을 보이며, 이는 극화 상태에서 포논 열전도도를 통해 유추된 높은 격자 불순물 농도와 관련이 있다.