[논문 리뷰] a rare-earth Kitaev material candidate YbCl$_3$

Jie Xing, Huibo Cao외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 08.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 Yb³⁺ 이온이 효과적인 Jₑff = 1/2 크라머스 이중도 상태를 형성하는 희토류 키타에브 재료 후보로 YbCl₃을 제안한다. 열역학적, ac 자화도 측정 및 토크 측정을 통해 1.20 K와 0.60 K에서의 이중 단계 자성 정렬이 관찰되었으며, 이는 면내 및 면외 자기장에 의해 억제되며, 양자临계점과 강한 이중차원성을 시사한다. 이는 YbCl₃가 α-RuCl₃보다 키타에브 시스템에 더 가까운 실현임을 시사한다.

ABSTRACT

Most of the searches for Kitaev materials deal with $4d/5d$ magnets with spin-orbit-coupled ${J=1/2}$ local moments such as iridates and $\alpha$-RuCl$_3$. Here we propose a new Kitaev material candidate YbCl$_3$. We perform thermodynamic, $ac$ susceptibility and angle-dependent magnetic torque measurements on YbCl$_3$ single crystal. We find that the Yb$^{3+}$ ion exhibits a Kramers doublet ground state that gives rise to an effective spin ${J_{ ext{eff}}=1/2}$ local moment with likely strong anisotropic exchange interactions. The compound exhibits short-range magnetic ordering at around 1.20 K followed by long-range ordering at 0.60 K. These orderings can be suppressed by in-plane and out-of-plane magnetic fields, resulting in a quantum critical point at around 6 and 10 T, respectively. Furthermore, the non-monotonic decrease of Neel temperature under out-of-plane magnetic fields and the 99.8\% of ground state entropy release across the short range ordering, strongly suggest that YbCl$_3$ is more two-dimensional than $\alpha$-RuCl$_3$ and thus a closer realization of a Kitaev system.

연구 동기 및 목표

• 강한 스핀-오비탈 결합을 가진 희토류 키타에브 재료 후보로 YbCl₃를 조사하기 위해.
• Yb³⁺ 이온의 국소 전자 상태의 성격과 그 효과적인 스핀 모멘트의 성격을 규명하기 위해.
• 자기 정렬 거동과 자기장에 의한 억제를 조사하여 임계 양자 상태의 존재 여부를 평가하기 위해.
• 기존의 키타에브 후보인 α-RuCl₃와의 비교를 통해 YbCl₃의 이중차원성 평가하기 위해.
• 키타에브 양자 스핀 액체에의 가까이를 평가하기 위해 열역학적 열과 자기 반응을 분석하기 위해.

제안 방법

• 고품질 측정을 위한 YbCl₃의 단일 결정 성장.
• 상전이 영역에서의 비열 및 열역학적 열 방출 측정을 통한 열역학적 측정.
• 동적 자성 반응 및 전이 온도 탐지에 대한 ac 자화도 측정.
• 이sovotropic 및 자기장 유도 정렬 억제를 조사하기 위한 각도 의존성 자기 토크 측정.
• 양자 임계점을 식별하기 위해 면내 및 면외 자기장 적용.
• 면외 자기장에서의 네일 온도 비단조화 감소를 분석하여 이중차원성 추론.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 YbCl₃는 키타에브 물리학에 적합한 효과적인 Jₑff = 1/2 모멘트를 가지는 크라머스 이중도 기저 상태를 갖는가?
• RQ2 YbCl₃에서의 자성 정렬 성격과 순서는 무엇이며, 자기장에 어떻게 반응하는가?
• RQ3 YbCl₃에서 양자 임계성이 유도될 수 있는가? 어떤 자기장 강도에서 발생하는가?
• RQ4 자기 반응을 기반으로 YbCl₃의 이중차원성은 α-RuCl₃와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 단기적 정렬 전이를 통해 기저 상태 열역학적 열이 얼마나 방출되는가?

주요 결과

• YbCl₃ 내 Yb³⁺는 크라머스 이중도 기저 상태를 나타내며, 강한 스핀-오비탈 결합으로 인해 효과적인 Jₑff = 1/2 국소 모멘트를 형성한다.
• 1.20 K에서 단기적 자성 정렬이 발생하고, 0.60 K에서 장기적 정렬이 발생하여 이중 단계 전이 순서를 나타낸다.
• 면내 자기장은 약 6 T에서 장기적 정렬을 억제하며, 이는 양자 임계점을 시사한다.
• 면외 자기장은 약 10 T에서 장기적 정렬을 억제하며, 네일 온도의 비단조화 감소는 증가한 양자 플럭츄에이션을 시사한다.
• 기저 상태 열역학적 열의 99.8%가 단기적 정렬 전이를 통해 방출되며, 이는 매우 이중차원적인 자성 시스템임을 나타낸다.
• 자기장에 의한 양자 임계성과 거의 완전한 열역학적 열 방출의 조합은 YbCl₃가 α-RuCl₃보다 더 이중차원적임을 강력히 시사하며, 이는 키타에브 시스템에 더 가까운 실현임을 뜻한다.