[논문 리뷰] Spectrum and low-temperature bulk properties of triangular quantum spin liquid candidate NaYbSe$_2$

A. O. Scheie, Minseong Lee외 19명|arXiv (Cornell University)|2024. 06. 25.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 5

한 줄 요약

본 연구는 중성자 산란, 압력 하 AC 열용량 및 AC 자기 감응성을 이용해 삼각 격자에서 NaYbSe2의 갭 양자 스핀 액체 상태를 보이고, ~2.1 μeV 갭과 100 mK까지 자기 질서를 보이지 않는다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

We report neutron scattering, pressure-dependent AC calorimetry, and AC magnetic susceptibility measurements of triangular lattice NaYbSe$_2$. We observe a continuum of scattering, which is reproduced by matrix product simulations, and no phase transition is detected in any bulk measurements. Comparison to heat capacity simulations suggest the material is within the Heisenberg spin liquid phase. AC Susceptibility shows a frequency-dependent peak at 40 mK, as has been observed in several triangular magnets.

연구 동기 및 목표

• 삼각 격자에서 양자 스핀 액체를 찾으려는 동기를 부여하고, 특히 Yb 기반 델라포사이트에서의 연구를 강화한다.
• 분광학적 및 열역학적 프로브를 결합하여 NaYbSe2가 QSL 기저 상태를 갖는지 판단한다.
• 저에너지 스핀 갭의 존재 여부와 크기를 확인하고 이를 이론적 QSL 모델과 연관시킨다.
• NaYbSe2를 KYbSe2 및 다른 AYbSe2 화합물과 비교하여 QSL 위상에 대한 근접성을 평가한다.

제안 방법

• 비탄성 중성자 산란을 이용해 분산을 매핑하고 스핀 연속체 및 갭을 탐색한다.
• 정압 하 AC 열용량 측정을 통해 순서화 전이의 열역학적 신호를 찾는다.
• 저온에서의 갭 및 순서화를 탐지하기 위한 AC 자기 감응도.
• 양자 다체 시뮬레이션(MPS: matrix product states 및 TPQ)을 이용하여 J1–J2 삼각 격자 해밀토니안을 모델링하고 스펙트럼 및 특이열을 해석한다.
• KYbSe2 및 다른 A YbSe2 화합물과의 비교 분석을 통해 QSL 위상에 대한 근접성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NaYbSe2는 저온이나 압력 하에서 장거리 자기 질서를 보이는가?
• RQ2 자기 공명 스펙트럼이 갭을 가지는가, 그렇다면 갭 크기는 얼마인가?
• RQ3 NaYbSe2를 설명하는 적절한 스핀 해밀토니안(J1–J2 및 이방성 포함)은 무엇이며, QSL 위상에 있는가?
• RQ4 NaYbSe2가 갭이 있는 Z2 QSL에 해당하는가, 아니면 갭이 없는 U(1) Dirac QSL 또는 다른 경쟁 위상에 속하는가?

주요 결과

• NaYbSe2는 100 mK까지 정적 자기 질서가 없으며 중성자 산란에서 매우 분산된 연속체를 보인다.
• AC 감응도는 약 2.1 μeV의 저에너지 갭을 나타낸다.
• 열용량 및 TPQ/MPS 시뮬레이션은 NaYbSe2를 삼각 QSL 영역 근처 또는 내부에 위치시키며, 더 큰 J2/J1(~0.07) 및 간편면 이방성과 일치한다.
• 데이터는 갭이 없는 U(1) Dirac QSL을 배제하고, 스펙트럼에 대한 자연스러운 설명으로 갭이 있는 Z2 QSL을 지지한다.
• 2 GPa까지의 압력에서도 AC 열용량에서 날카로운 순서화 전이는 관찰되지 않는다.
• 중성자 스펙트럼은 간편면 이방성을 갖는 J1–J2 모델과 질적으로 일치하며, MPS 스펙트럼은 한정된 크기 제한 내에서 이를 지지한다.