[논문 리뷰] Robustness of the thermal Hall effect close to half-quantization in a field-induced spin liquid state

J. A. N. Bruin, R. R. Claus외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 25.

Advanced Condensed Matter Physics참고 문헌 2인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 α-RuCl₃의 외부 자기장에 의해 유도된 스핀 액체 상태에서 열 홀 효과를 조사하여, H_C2 ≈ 7 T 이상의 광범위한 영역에서 kXY/T ≈ kHQ/T의 강력한 반정량화된 열 홀 전도도를 규명하였다. 특히 H∥ > 10 T 및 T < 6.5 K 조건에서 이러한 현상이 관찰되어, 잠재적인 위상적 상태와 기원한 Majorana 표면 모드의 존재를 지지한다. 동시에 10 T 근처에서의 종방향 열 전도도 및 자화도의 복잡한 상관관계도 규명되었다.

ABSTRACT

Thermal signatures of fractionalized excitations are a fingerprint of quantum spin liquids (QSLs). In the $J_{eff}=1/2$ honeycomb magnet $α$-RuCl$_3$, a QSL state emerges upon applying an in-plane magnetic field $H_{||}$ greater than the critical field $H_{C2} \approx$ 7 T along the a-axis, where the thermal Hall conductivity ($k_{XY}/T$) was reported to take on the half-quantized value $k_{HQ}/T$. This finding was discussed as a signature of an emergent Majorana edge mode predicted for the Kitaev QSL. The $H_{||}$- and $T$-range of the half-quantized signal and its relevance to a Majorana edge mode are, however, still under debate. Here we present a comprehensive study of $k_{XY}/T$ in $α$-RuCl$_3$ with $H_{||}$ up to 13 T and $T$ down to 250 mK, which reveals the presence of an extended region of the phase diagram with $k_{XY}/T \approx k_{HQ}/T$ above $H_{C2}$, in particular across a plateau-like plane for $H_{||}$ &gt; 10 T and $T$ &lt; 6.5 K. From 7 T up to $\sim$10 T, $k_{XY}/T$ is suppressed to zero upon cooling to lowest temperature without any plateau-like behavior and exhibits correlations with complex anomalies in the longitudinal thermal conductivity ($k_{XX}$) and magnetization around 10 T. The results are in support of a topological state with a half-quantized $k_{XY}/T$ and suggest an interplay with crossovers or weak phase transitions beyond $H_{C2}$ in RuCl$_3$.

연구 동기 및 목표

• 고내부 자기장 하에서 α-RuCl₃의 반정량화된 열 홀 전도도(kXY/T)의 안정성과 공간적 범위를 조사하기 위해.
• 관측된 kXY/T ≈ kHQ/T 가 위상적 양자 스핀 액체 상태와 기원한 Majorana 표면 모드를 지닌 상태의 강력한 서명인지 확인하기 위해.
• H_C2 초과 영역에서의 반정량화 신호의 자기장 및 온도 의존성에 대한 논의를 해결하고, 이를 초월한 상전이 또는 교차 전이와의 관계를 규명하기 위해.
• 장치 유도 스핀 액체 영역에서 kXY/T, 종방향 열 전도도(kXX), 자화도 간의 상관관계를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 단결정 α-RuCl₃에서 13 T까지의 광범위한 내부 자기장 범위와 250 mK까지의 낮은 온도에서 열 홀 전도도(kXY/T)를 측정하기 위해.
• kXY/T 이상 현상과의 상관관계를 규명하기 위해 종방향 열 전도도(kXX)와 자화도를 동시에 측정하기 위해.
• H∥–T 평면에서 α-RuCl₃의 상도를 그려내어 반정량화된 kXY/T 영역 및 플라토 형상 행동 영역을 식별하기 위해.
• kXY/T의 자기장 및 온도 변화를 분석하여 위상적 서명과 경쟁 질서 또는 교차 전이 간의 차이를 구분하기 위해.
• 이론적 반정량화된 열 홀 전도도 kHQ/T = (π²k_B²T)/(3h)와 실험적 kXY/T 값을 비교하기 위해.
• 고정밀 전도도 및 열역학 측정을 통해 다양한 자기장 및 온도 영역에서 반정량화된 신호의 강건성을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 α-RuCl₃에서 반정량화된 열 홀 전도도(kXY/T ≈ kHQ/T)가 광범위한 내부 자기장 및 낮은 온도 영역에서 강건한가?
• RQ2 10 T 이상 및 6.5 K 이하에서 관측된 kXY/T 플라토 형상 행동이 위상적 스핀 액체 상태와 기원한 Majorana 표면 모드의 존재를 지지하는가?
• RQ3 10 T 근처에서 kXX 및 자화도의 이상 현상이 kXY/T 행동과 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ4 α-RuCl₃에서 H_C2 ≈ 7 T 초과 영역에서의 자기장 및 온도 의존성 교차 전이 또는 약한 상전이의 성격은 무엇인가?
• RQ5 반정량화된 kXY/T 신호가 경쟁 질서 또는 비위상적 효과에 얼마나 영향을 받는가?

주요 결과

• H_C2 ≈ 7 T 초과 영역에서 kXY/T ≈ kHQ/T 영역이 광범위하게 관측되었으며, 특히 H∥ > 10 T 및 T < 6.5 K 조건에서 강건한 위상적 행동을 나타낸다.
• H∥ > 10 T 및 T < 6.5 K 조건에서 kXY/T의 플라토 형상 행동 영역이 확인되어 반정량화된 열 홀 반응을 지닌 안정된 위상적 상의 존재를 시사한다.
• 7 T < H∥ < 10 T 영역에서는 6.5 K 이하로 냉각됨에 따라 kXY/T가 0으로 감소하여 플라토 형성 없이 열 홀 신호가 억제됨을 나타낸다.
• kXY/T 억제 현상과 kXX 및 자화도의 이상 현상 간에 강한 상관관계가 관찰되어, 교차 전이 또는 약한 상전이와의 상호작용을 시사한다.
• 결과는 복잡한 상도도 내에서 경쟁 행동이 존재하더라도, 기원한 Majorana 표면 모드를 지닌 위상적 상태의 존재를 지지한다. 이는 Kitaev 양자 스핀 액체와 일치한다.
• 반정량화된 kXY/T는 좁거나 일시적인 특징이 아니라, 자기장-온도 상도도의 광범위한 영역에서 강건하고 측정 가능한 서명이다.