[논문 리뷰] The planar thermal Hall conductivity in the Kitaev magnet α-RuCl3

Peter A. Czajka, Tong Gao외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 19.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 평면자기장 하에서 Kitaev 스핀액체 후보 물질 $\alpha$-RuCl$_3$에서 평면 열홀 효과($\kappa_{xy}$)를 보고하며, 이는 보손성 가장자리 모드 진동에 의해 지배되는 강한 온도 의존성 응답을 나타낸다. 데이터는 반정량화된 열홀 전도도를 배제하고, 고자기장에서 $\sim$1의 색수학적 수치와 약 1 meV의 밴드 에너지 $\omega_1$를 보이며, 이는 위상적 자성파와 날카로운 ESR 모드와 일치한다. 이는 이전의 마요라나 Fermion 서명에 대한 주장을 도전한다.

ABSTRACT

We report detailed measurements of the Onsager-like planar thermal Hall conductivity $κ_{xy}$ in $α$-RuCl$_3$, a spin-liquid candidate of topical interest. With the thermal current ${\bf J}_{ m Q}$ and magnetic field $\bf B\parallel a$ (zigzag axis), the observed $κ_{xy}/T$ varies strongly with temperature $T$ (1-10 K). The results are well-described by bosonic edge excitations which evolve to topological magnons at large $B$. Fits to $κ_{xy}/T$ yield a Chern number $\sim 1$ and a band energy $ω_1\sim$1 meV, in agreement with sharp modes seen in electron spin-resonance experiments. The bosonic character is incompatible with half-quantization of $κ_{xy}/T$.

연구 동기 및 목표

• $\alpha$-RuCl$_3$에서 반정량화된 열홀 전도도에 대한 서로 모순되는 보고를 해결하기 위해.
• Kitaev 스핀액체 후보에서 평면 열홀 반응의 미세한 기원을 규명하기 위해.
• 관측된 $\kappa_{xy}/T$가 페르미온성 마요라나 가장자리 모드인지 보존성 가장자리 진동에 기인한 것인지 확인하기 위해.
• 색수학적 수치와 가장자리 모드의 에너지 척도를 통해 스핀 진동의 위상적 특성을 정량화하기 위해.

제안 방법

• $T = 0.5$–10.5 K 범위와 $B = -13$에서 13 T까지의 자기장 하에서 $B \parallel a$-축(자이즈그 방향)에서 열홀 저항도 $\lambda_{yx}$와 종방향 열전도도 $\kappa_{xx}$ 측정.
• 모든 자기장 단계 이후 150초 지연을 포함한 단계적 프로브 프로토콜을 사용하여 열역학적 및 에디스 전류 효과의 잔류 전류를 억제.
• 온도 측정 데이터($T_{\rm A}, T_{\rm B}, T_{\rm C}$)에 자기장 반대 대칭 처리를 적용하여 $\Delta T_{\rm H}^{\rm asym}$를 추출하고, 이는 $\lambda_{yx}$에 비례하도록 한다.
• $\lambda_{ij}$의 역행렬 계산을 통해 $\lambda_{yx}$와 $\lambda_{xx}$로부터 $\kappa_{xy}/T$를 추출.
• $\omega_1$와 $\omega_2$의 두 보손성 가장자리 모드를 갖는 모델에 $\kappa_{xy}/T$를 피팅하고, 보즈-아인슈타인 분포를 사용.
• $\mathcal{C}_{\rm obs} = (\mathcal{K}_{\rm H}/T) / [c^{(1)}_2(\omega_1,T) - c^{(2)}_2(\omega_2,T)]$를 정의하여 효과적 색수학적 수치를 추출하고 정수 값과 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $\alpha$-RuCl$_3$에서의 평면 열홀 전도도는 마요라나 진동에서 기인한 반정량화된 페르미온성 가장자리 모드와 일치하는가?
• RQ2 Kitaev 후보에서 관측된 $\kappa_{xy}/T$ 반응의 미세한 기원은 무엇인가?
• RQ3 고자기장에서 열홀 반응이 위상적 자성파 상태로 진화하는가?
• RQ4 관측된 가장자리 모드 에너지와 색수학적 수치는 전자 스핀 공명과 중성자 산란 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 $\kappa_{xy}/T$가 저온에서 강하게 억제되는 이유는 무엇이며, 이는 진동의 성격에 대해 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 평면 열홀 전도도 $\kappa_{xy}/T$는 반정량화의 증거를 보이지 않으며, 이는 페르미온성 마요라나 기원을 배제한다.
• 데이터는 $\omega_1 \sim$1 meV와 $\omega_2 \sim$50 K를 갖는 두 보손성 가장자리 모드로 잘 기술되며, 이는 반정량화와 호환되지 않는 보존성 특성과 일치한다.
• 효과적 색수학적 수치 $\mathcal{C}_{\rm obs}$는 9 T 이상의 자기장에서 약 1의 평탄한 플랫폼에 도달하며, 이는 위상적 자성파 상태를 나타낸다.
• 피팅으로부터 추출된 에너지 $\omega_1$는 고자기장에서 날카로운 ESR 모드 $C$와 매우 밀접하게 일치하며, $B_c \approx$7.3 T 근처에서 $C$와 $F$ 모드가 디제너레이트된 상태와도 일치한다.
• $\kappa_{xy}/T$의 강한 $T$-의존성은 블록 스핀 갭이 아니라 가장자리 모드의 보즈-아인슈타인 통계에 기인한다.
• 저자기장($B < 7$ T) 영역에서는 $\kappa_{xy}$가 거의 0이지만, 6.3 T 근처에서 약간의 음의 곡면이 관측되며, 이는 약한 베리 곡률과 비위상적 행동을 나타낸다.