[论文解读] Dynamic quantum kagome ice

E. Lhotel, S. Petit+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2017

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 36被引用 14

一句话总结

该论文展示了在[111]磁场下，尖晶石氧化物Nd2Zr2O7中出现了一种植动态量子凯麦尔冰态，其中自旋激发表现出具有六重对称结构的平坦模式，这是凯麦尔冰的特征。中子散射揭示了从三维到二维的维度减少，伴随持续存在的平坦模式和色散分支，表明稳定形成了具有分数化激发和拓扑序的量子凯麦尔冰相。

ABSTRACT

The search for two dimensional quantum spin liquids, exotic magnetic states with an entangled ground state remaining disordered down to zero temperature, has been a great challenge in frustrated magnetism during the last decades. Recently, fractionalized excitations, called spinons, emerging from these states, have been evidenced in kagome and triangular antiferromagnets. In contrast, quantum ferromagnetic spin liquids in two dimensions, namely quantum kagome ices, have been less investigated, yet their classical counterparts exhibit amazing properties, magnetic monopole crystals as well as magnetic fragmentation. Here we show that, by applying a magnetic field on the pyrochlore oxide Nd$_2$Zr$_2$O$_7$, which has been shown to develop three dimensional quantum magnetic fragmentation in zero field, we are able to reduce the dimension of the system and to create a dynamic kagome ice state. Our results open the way to the observation of the quantum kagome ice state which was recently investigated theoretically.

研究动机与目标

• 研究三维量子尖晶石体系中二维量子自旋液体行为的出现。
• 探讨磁场如何诱导从三维尖晶石到二维凯麦尔冰物理的维度减少。
• 在体材料中识别量子凯麦尔冰的特征，如平坦模式和拓扑自旋激发。
• 确定动态凯麦尔冰态在量子自旋冰候选材料中稳定存在的条件。
• 将经典凯麦尔冰行为与真实材料体系中的量子涨落相联系。

提出的方法

• 通过施加[111]磁场下的中子散射实验，测量Nd2Zr2O7的自旋激发谱。
• 利用X射线和中子衍射数据的Rietveld精修，确定磁矩演化和自旋构型。
• 采用含位置依赖Zeeman项的线性自旋波理论，模拟磁场诱导的凯麦尔平面与三角平面的解耦。
• 引入顶点自旋(T)和凯麦尔自旋(K)的广义平衡解，描述磁场依赖的磁序。
• 分析自旋偏离的运动方程，识别带电模式（凯麦尔电荷）和无色散环模式。
• 采用双四面体晶格表示法，映射二维极限下凯麦尔冰电荷和拓扑激发。

实验结果

研究问题

• RQ1 在磁场作用下，体量子尖晶石材料中能否稳定形成动态凯麦尔冰态？
• RQ2 Nd2Zr2O7在[111]磁场下的自旋激发谱具有何种性质，是否表现出凯麦尔冰物理的特征？
• RQ3 哈密顿量中的量子涨落和横向项如何影响拓扑自旋激发的出现？
• RQ4 磁场在多大程度上诱导了自旋激发谱从三维到二维的维度减少？
• RQ5 观测到的具有六重对称性的平坦模式是否可归因于具有分数化激发的量子凯麦尔冰相？

主要发现

• 在Nd2Zr2O7中，[111]磁场下持续存在具有六重对称结构的平坦自旋激发模式，这是凯麦尔冰的典型特征。
• 中子散射显示从三维到二维的维度减少，凯麦尔平面承载着动态凯麦尔冰态。
• 自旋激发谱包含一个平坦模式，其上出现色散分支，表明存在类似自旋子的拓扑激发。
• 磁化测量显示在饱和磁化的2/3处出现平台，与凯麦尔平面中“2进1出”或反之的凯麦尔冰规则一致。
• 理论建模证实，在中等磁场下顶点自旋完全极化，使凯麦尔层能够支持孤立的凯麦尔冰动力学。
• 即使存在量子涨落，该体系仍表现出稳定的凯麦尔冰态，其特征为受限于凯麦尔平面的拓扑电荷模式和无色散环模式。