[论文解读] Evidence for a Z$_2$ topological ordered quantum spin liquid in a kagome-lattice antiferromagnet

Wei Yuan, Zili Feng+13 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2017

Advanced Condensed Matter Physics被引用 11

一句话总结

本研究为铁酸盐晶格反铁磁体Cu₃Zn(OD)₆FBr中的Z₂拓扑序量子自旋液体提供了实验证据。尽管层间Cu²⁺含量发生剧烈变化，自旋激发仍保持能隙且连续，表明其对磁性杂质具有鲁棒性，并证实了具有Z₂拓扑序的能隙量子自旋液体基态。

ABSTRACT

A quantum spin liquid with a $Z_2$ topological order has long been thought to be important for the application of quantum computing and may be related to high-temperature superconductivity. While a two-dimensional kagome antiferromagnet may host such a state, strong experimental evidences are still lacking. Here we show that the spin excitations from the kagome planes in magnetically ordered Cu$_4$(OD)$_6$FBr and non-magnetically ordered Cu$_3$Zn(OD)$_6$FBr are similarly gapped although the content of inter-kagome-layer Cu$^{2+}$ ions changes dramatically. This suggests that the spin triplet gap and continuum of the intrinsic kagome antiferromagnet are robust against the interlayer magnetic impurities. Our results show that the ground state of Cu$_3$Zn(OD)$_6$FBr is a gapped quantum spin liquid with Z$_2$ topological order.

研究动机与目标

• 识别Kagome晶格量子自旋液体中Z₂拓扑序的实验特征。
• 研究在层间磁性杂质存在下自旋激发的稳定性。
• 确定Cu₃Zn(OD)₆FBr基态是否表现出能隙量子自旋液体相。
• 比较磁性有序与非磁性有序Kagome体系的自旋激发谱。

提出的方法

• 对比两种Kagome晶格化合物的中子散射数据：Cu₄(OD)₆FBr（磁性有序）与Cu₃Zn(OD)₆FBr（非磁性有序）。
• 分析自旋激发谱以识别自旋三重态能隙的存在及其鲁棒性。
• 评估尽管层间磁性含量存在差异，两种材料中自旋激发连续谱的相似性。
• 利用能隙激发谱的相似性作为无长程磁序情况下拓扑序的特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在Kagome晶格量子自旋液体中识别出Z₂拓扑序的实验证据？
• RQ2 层间磁性杂质如何影响Kagome反铁磁体的自旋激发谱？
• RQ3 本征Kagome反铁磁体中的自旋能隙是否对层间磁性含量的变化具有鲁棒性？
• RQ4 Cu₃Zn(OD)₆FBr中无长程磁序是否意味着存在能隙量子自旋液体基态？

主要发现

• Cu₄(OD)₆FBr与Cu₃Zn(OD)₆FBr的自旋激发谱尽管层间Cu²⁺含量发生剧烈变化，仍表现出相似的能隙连续谱。
• 两种化合物中自旋三重态能隙和连续谱的持续存在表明其对层间磁性杂质具有鲁棒性。
• 观测到的谱相似性支持了Cu₃Zn(OD)₆FBr中存在能隙量子自旋液体基态。
• 结果为Kagome晶格反铁磁体中存在Z₂拓扑序提供了强有力的实验证据。