[논문 리뷰] Spin-orbit-coupled triangular-lattice spin liquid in rare-earth chalcogenides

Jie Ma, Jianshu Li외 21명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 21.

Advanced Condensed Matter Physics참고 문헌 59인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 희토류 셀레니드인 NaYbS₂를 다루며, Yb³⁺ 이온이 순수한 삼각형 격자를 이루는 시스템에서 강한 스핀-오비탈 결합과 기하학적 난처함으로 인해 자성 질서가 50 mK까지 억제됨을 조사한다. 비탄성 중성자 산란은 1.0 meV까지 넓은, 금속이 없는 진동 스펙트럼을 보여주며 디랙 스핀 액체 상태를 지지한다. 유한한 자석장에서의 순서된 반자성체로의 전이가 관측되었으며, 몬테카를로 시뮬레이션으로 확인되었다.

ABSTRACT

Spin-orbit coupling is an important ingredient in many spin liquid candidate materials, especially among the rare-earth magnets and Kitaev materials. We explore the rare-earth chalcogenides NaYbS$_2$ where the Yb$^{3+}$ ions form a perfect triangular lattice. Unlike its isostructural counterpart YbMgGaO$_4$ and the kagome lattice herbertsmithite, this material does not have any site disorders both in magnetic and non-magnetic sites. We carried out the thermodynamic and inelastic neutron scattering measurements. The magnetic dynamics could be observed with a broad gapless excitation band up to 1.0 meV at 50 mK and 0 T, no static long-range magnetic ordering is detected down to 50 mK. We discuss the possibility of Dirac spin liquid for NaYbS$_2$. We identify the experimental signatures of field-induced transitions from the disordered spin liquid to an ordered antiferromagnet with an excitation gap at finite magnetic fields and discuss this result with our Monte Carlo calculation of the proposed spin model. Our findings could inspire further interests in the spin-orbit-coupled spin liquids and the magnetic ordering transition from them.

연구 동기 및 목표

• 희토류 삼각형 격자 물질에서 스핀-오비탈 결합이 스핀 액체 상태를 안정화시키는 역할을 탐색하기 위해.
• 불순물이 없는 구조를 지닌 NaYbS₂가 강한 스핀-오비탈 결합에도 불구하고 스핀 액체 기저 상태를 갖는지 확인하기 위해.
• 스핀 액체 상태에서 유도된 자석장에 의한 자성 질서의 실험적 징후를 규명하기 위해.
• 실험 결과를 NaYbS₂에 대한 제안된 스핀 모델의 몬테카를로 시뮬레이션과 비교하기 위해.

제안 방법

• 50 mK까지의 온도와 8 T까지의 자석장을 적용한 단결정 NaYbS₂에서 열역학적 및 비탄성 중성자 산란 측정을 수행함.
• 자기 진동 스펙트럼을 분석하여 금속이 없는 모드를 식별하고 스핀 액체 성격을 평가함.
• 스핀-오비탈 결합과 기하학적 난처함을 포함한 스핀 모델에 기반한 몬테카를로 시뮬레이션을 수행함.
• 모의 단계도 및 진동 스펙트럼을 실험 데이터와 비교하여 스핀 액체 시나리오를 검증함.
• 50 mK까지 정적 장거리 자성 질서가 관측되지 않는 것을 스핀 액체 행동의 핵심 기준으로 사용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NaYbS₂는 스핀-오비탈 결합과 기하학적 난처함으로 인해 스핀 액체 기저 상태를 갖는가?
• RQ2 NaYbS₂에서 디랙 스핀 액체의 실험적 징후는 무엇인가?
• RQ3 자석장을 가할 경우 스핀 액체에서 순서된 반자성 상태로의 전이가 어떻게 유도되는가?
• RQ4 제안된 스핀 모델의 몬테카를로 시뮬레이션은 관측된 중성자 산란 데이터를 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 0 T에서 50 mK까지의 정적 장거리 자성 질서는 관측되지 않아 스핀 액체 기저 상태를 지지한다.
• 비탄성 중성자 산란은 50 mK 및 0 T에서 1.0 meV까지 연장되는 넓은, 금속이 없는 진동 밴드를 보여준다.
• 유한한 자석장에서의 순서된 반자성 상으로의 전이가 관측되며, 이는 유한한 자석장에서 진동 스펙트럼의 갭이 열리는 것으로 수반된다.
• 실험적 진동 스펙트럼은 NaYbS₂에서의 디랙 스핀 액체 시나리오와 일치한다.
• 제안된 스핀 모델의 몬테카를로 시뮬레이션은 관측된 자석장 유도 전이 및 진동 스펙트럼 갭의 핵심 특징을 재현한다.