[논문 리뷰] Coexisting localized and itinerant gapless excitations in a quantum spin liquid candidate 1T-TaS$_2$

H. Murayama, Yuki Sato외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 16.

Advanced Condensed Matter Physics참고 문헌 37인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 1T-TaS₂에서 저온 열전도도 및 비열 측정을 통해 양정적이고 국소화된 금가소성 진동자를 동시에 관찰하였다. 자기장에 의한 비열 계수 γ의 감소와 잔류 열전도도 κ₀/T의 증가라는 대조적인 반응은 이동성 스핀온이 페르미 표면을 형성하고 있으며, 자기장에 의해 국소화된 무작위 스핀 쌍이 정렬됨을 직접적으로 입증한다.

ABSTRACT

To reveal the nature of elementary excitations in a quantum spin liquid (QSL), we measured low temperature thermal conductivity and specific heat of 1T-TaS$_2$, a QSL candidate material with frustrated triangular lattice of spin-1/2. The nonzero temperature linear specific heat coefficient $γ$ and the finite residual linear term of the thermal conductivity in the zero temperature limit $κ_0/T=κ/T(T ightarrow 0)$ are clearly resolved. This demonstrates the presence of highly mobile gapless excitations, which is consistent with fractionalized spinon excitations that form a Fermi surface. Remarkably, an external magnetic field strongly suppresses $γ$, whereas it enhances $κ_0/T$. This unusual contrasting behavior in the field dependence of specific heat and thermal conductivity can be accounted for by the presence of two types of gapless excitations with itinerant and localized characters, as recently predicted theoretically (I. Kimchi et al., arXiv:1803.00013 (2018)). This unique feature of 1T-TaS$_2$ provides new insights into the influence of quenched disorder on the QSL.

연구 동기 및 목표

• 1T-TaS₂에서 스핀-1/2의 완벽한 삼각형 격자를 가지는 양자 스핀 액체 후보에서 금가소성 진동자의 성격을 규명하기 위해.
• 기존의 금가소성 진동자 해석에 도전하는 비열과 열전도도의 상반된 자기장 의존성 문제를 해결하기 위해.
• 이동성 및 국소화된 금가소성 모드 간의 상호작용을 탐구함으로써 양자 스핀 액체에서 고착된 불순물의 역할을 조사하기 위해.
• 불안정한 스핀계에서 이동성 스핀온과 국소화된 무작위 스핀 쌍의 공존을 이론적으로 예측한 바를 검증하기 위해.

제안 방법

• 1T-TaS₂의 단일 결정에서 50 mK까지의 저온 열전도도 및 비열 측정을 수행하였다.
• 비열 계수 γ(H)와 잔류 열전도도 κ₀/T(H)의 자기장 의존성을 최대 12 T까지 측정하였다.
• κ₀/T = (1/3)γₛvₛℓₛ를 사용하여 금가소성 진동자의 평균 자유로움을 추정하기 위해 운동론적 근사법을 적용하였다. 여기서 γₛ = 13γ이다.
• 자기장에 의한 스핀온 속도는 J ≈ 0.13 eV의 자기화학적 성질과 a = 1 nm의 스핀 간격을 사용하여 vₛ ≈ Ja/ℏ로 추정하였다.
• NQR 및 뮤온 스핀 회전 데이터와의 비교를 통해 상분리 현상을 배제하고 국소화된 스핀 쌍의 존재를 확인하였다.
• 14 T에서 γ(H)의趋세 포화 현상으로부터 고착된 스핀의 자기장 유도 정렬을 유추하였다. 이는 국소화된 스핀 모멘트가 거의 완전히 정렬되었음을 시사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0온도에서 1T-TaS₂의 유한한 선형 비열 계수 γ와 잔류 열전도도 κ₀/T의 기원은 무엇인가?
• RQ2 외부 자기장이 γ를 감소시키지만 κ₀/T를 증가시키는 현상은 단일 유형의 금가소성 진동자와 일치하지 않는데, 이는 왜인가?
• RQ3 고착된 불순물과 국소화된 무작위 스핀 쌍은 양자 스핀 액체에서의 양자 변동성과 운반 특성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 관측된 대조적인 자기장 의존성이 이동성 스핀온과 국소화된 스핀 쌍의 공존에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ5 금가소성 진동자의 평균 자유로움은 얼마이며, 이는 이동성 및 페르미 표면 유사 특성을 지지하는가?

주요 결과

• 유한한 선형 비열 계수 γ가 관측되어 1T-TaS₂에 금가소성 진동자가 존재함을 시사한다.
• 잔류 열전도도 κ₀/T는 0온도 근처에서도 유한하게 유지되어 매우 이동성이 높은 금가소성 준입자 존재를 확인한다.
• 외부 자기장은 γ(H)를 강하게 감소시켜 국소화된 스핀 쌍이 자기장에 의해 파괴되었음을 나타낸다.
• 동시에 κ₀/T(H)는 자기장에 의해 증가하여 고착된 스핀의 자기장 유도 정렬로 인해 이동성 준입자의 산란이 감소했음을 시사한다.
• 금가소성 진동자의 추정 평균 자유로움은 약 20.4 nm로, 스핀 간격보다 훨씬 크며 이는 이들의 이동성 및 페르미 표면 유사 성격을 지지한다.
• 대조적인 자기장 반응은 상분리를 배제하고 이동성 스핀온과 국소화된 무작위 스핀 쌍의 공존 시나리오를 지지한다.