[논문 리뷰] Thermodynamic evidence for field-angle dependent Majorana gap in a Kitaev spin liquid

O. Tanaka, Yuta Mizukami외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 13.

Advanced Condensed Matter Physics참고 문헌 35인용 수 89

한 줄 요약

이 연구는 평면 내 자기장 회전 조건에서 고해상도 열용량 측정을 통해 α-RuCl3에서의 필드각도에 의존하는 마요라나 갭에 대한 직접적인 열역학적 증거를 제시한다. 갭 내에서 관측된 6중절점 구조는 |cos 3φ|에 비례하며, 키타에브 모형이 예측한 이동성 마요라나 페르미온의 성질을 확인하고, 반지름 열역학 양자화와의 일치를 통해 전체-모서리 대응 관계를 설정한다.

ABSTRACT

The exactly-solvable Kitaev model of two-dimensional honeycomb magnet leads to a quantum spin liquid (QSL) characterized by Majorana fermions, relevant for fault-tolerant topological quantum computations. In the high-field paramagnetic state of $\alpha$-RuCl3, half-integer quantization of thermal Hall conductivity has been reported as a signature of edge current, but the bulk nature of this state remains elusive. Here, from high-resolution heat capacity measurements under in-plane field rotation, we find strongly angle-dependent low-energy excitations in bulk $\alpha$-RuCl3. The excitation gap has a sextuple node structure, and the gap amplitude increases with field, exactly as expected for itinerant Majorana fermions in the Kitaev model. Our thermodynamic results are fully linked with the transport quantization properties, providing the first demonstration of the bulk-edge correspondence in a Kitaev QSL. Moreover, at higher fields where the quantum thermal Hall effect vanishes, we find the possible emergence of a novel nematic QSL state with two-fold rotational symmetry.

연구 동기 및 목표

• . α-RuCl3의 고자기장 비순서 상태에서의 저에너지 준위 스펙트럼을 조사한다.
• . 키타에브 모형이 예측한 마요라나 갭의 필드각도 의존성을 검증한다.
• . 키타에브 양자 스핀 액체의 위상적 성질에 대한 전반적 증거를 확립한다.
• . 키타에브 QSL을 초월한 새로운 양자상의 발생을 탐색한다.

제안 방법

• . 고순도 단일결정 α-RuCl3에서 0.6 K까지의 고해상도 열용량 측정을 수행하였다.
• . 피에조 기반의 회전장치를 통해 α-RuCl3의 허브본 평면 내에서 자기장을 평면 내로 기울였다.
• . 온도 및 자기장 의존성 열용량 데이터를 분석하여 C/T의 지수적 온도 의존성에서 마요라나 갭 ΔM을 추출하였다.
• . 데이터는 효과적인 이중준위 모형에 적합시켜 갭을 추출하고 이론 예측과 비교하였다.
• . 대칭 고려와 여러 자기장 방향에서의 데이터를 이용해 갭의 각도 의존성을 재구성하였다.
• . C/T^3 발산의 피크 온도 Tmax에서 Z2 플럭스 갭을 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 키타에브 모형이 예측한 바와 같이, α-RuCl3의 마요라나 준위 갭이 |cos 3φ|에 비례하는 필드각도 의존성을 보이는가?
• RQ2 . 관측된 필드각도 의존성 갭은 키타에브 양자 스핀 액체의 위상적 성질과 일치하는가?
• RQ3 . 열역학 측정을 통해 열홀 효과 실험에서 관측된 표면 모드에 대한 전반적 증거를 확보할 수 있는가?
• RQ4 . 열홀 효과가 사라지는 고자기장 영역에서의 양자상 전이의 성격은 무엇인가?
• RQ5 . 높은 자기장에서 회전 대칭성이 깨진 새로운 이sotropic 양자 스핀 액체 상이 나타나는가?

주요 결과

• . α-RuCl3의 마요라나 갭은 |cos 3φ|에 비례하는 6중절점 구조를 보이며, 키타에브 모형의 예측과 일치한다.
• . 갭의 크기는 자기장에 따라 증가하여 저에너지 준위의 이동성 마요라나 페르미온 기원을 확인한다.
• . 열역학 데이터는 반정수열 열홀 도전도 플랫폼과 완전히 일치하며, 키타에브 양자 스핀 액체에서의 전체-모서리 대응 관계를 설정한다.
• . 고자기장 영역(H > 10 T)에서 열홀 효과가 사라지며, 이중 대칭성을 가진 가능성이 있는 이sotropic 양자 스핀 액체 상이 나타난다.
• . C/T^3 발산의 피크 온도 Tmax는 T^2_max ∝ H^3에 비례하며, 이는 자기장 의존성 Z2 플럭스 갭 Δ_flux ∝ H^2를 나타낸다.
• . 관측된 특성열 및 갭의 각도 의존성은 시간역전 대칭성과 키타에브 모형의 위상 분류와 일치한다.