[論文レビュー] Field-induced intertwined orders in 3D Mott-Kitaev honeycomb $β$-Li2IrO3

Alejandro Ruiz, Alex Frañó+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2017

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 23

ひとこと要約

本研究では、3Dモット＝キタエフヘキサゴナルβ-Li2IrO3のb軸に沿った小さな磁場が、ほぼ簡約な量子状態のバランスをくつがえし、ズイ・ザッグスピン構造を安定化させる、場によって駆動される非熱力学的で複雑に絡んだ秩序を誘発することを示している。主な結果は、2.8 Tの磁場が非共鳴スパイラル秩序を抑制し、見かけの状態を安定化させることであり、K ≈ -11.8 meV - 2.3Jという強いキタエフ交換相互作用の支配的性質を示しており、微調整された量子フラストレーションが成立していることを示している。

ABSTRACT

Honeycomb iridates are thought to have strongly spin-anisotropic exchange interactions that could lead to an extraordinary state of matter known as the Kitaev quantum spin liquid. The realization of this state requires almost perfectly frustrated interactions between the magnetic Ir$^{4+}$ ions, but small imbalances in energy make other ordered states more favorable. Indeed, the closeness in energy of these ordered states is itself a signature of the intrinsic frustration in the system. In this work, we illustrate that small magnetic fields can be employed to drive the frustrated quantum magnet $β-$Li$_2$IrO$_3$,between different broken symmetry states, but without causing a true thermodynamic phase transition. This field-induced broken symmetry phase has all the signatures of a thermodynamic order parameter, but it is never truly formed in zero field. Rather, it is summoned when the scales of frustration are appropriately tipped, intertwined with other nearby quantum states.

研究の動機と目的

• フラストレーテッド3Dモット＝キタエフヘキサゴナルβ-Li2IrO3における磁場が、競合する量子状態の間をどのように調整するかを調査すること。
• 場誘発秩序が、内在的な量子フラストレーション由来であるか、熱力学的相転移由来であるかを特定すること。
• 非共鳴スパイラル状態と見かけの秩序状態の間のエネルギーバランスを分析することで、キタエフ相互作用とヘイゼンベルグ相互作用の相対的強度を定量化すること。
• ほぼ簡約な対称性破れ状態の存在を、3Dイリデート系における基礎的キタエフ物理学の兆候として確立すること。
• ハイパーヘキサゴナルイリデートにおける格子対称性（Fddd空間群）と発現するスピン秩序の相乗的相互作用を調査すること。

提案手法

• β-Li2IrO3の単結晶を蒸気輸送法で合成し、b軸に沿った磁場下での比熱および磁化測定により特性評価を行った。
• 60 Kまでの温度範囲で測定された熱力学的測定（CpおよびM(H)）により、H* ≈ 2.8 Tで磁化に急峻な変化（kink）が観察され、T_I = 38 Kで比熱に三角形の異常が現れ、場調整による相転移を示唆した。
• キタエフ-ヘイゼンベルグ-イジンガー（K-J-I_c）ハミルトニアンモデルを用い、外場とのゼーマン結合を含めた非共鳴スパイラル秩序（Ψ_I）および場誘発見かけ秩序（Ψ_V）の平均場解析を実施した。
• 見かけ秩序の単位サイトあたりのエネルギーは、E_V = -0.047H(T)Ψ_V + (0.292J + 0.125K)Ψ_V²として導出され、非共鳴スパイラルエネルギーE_I ≈ -1.6 meVと定量的に比較可能となった。
• Fddd空間群（番号70）の対称性解析により、回転、反転、グリド操作を特定し、スピン-格子ロックインの理解に寄与した。
• g = 2およびθ = tan⁻¹(1/√2) ≈ 0.2πを用いたキタエフ-ヘイゼンベルグモデルを適用し、見かけ秩序状態におけるスピンの配置がb±a格子方向にロックされていることを記述した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小さな磁場が、真の相転移を引き起こさずにβ-Li2IrO3において非熱力学的で場駆動の秩序を誘発できるか？
• RQ2 β-Li2IrO3における場誘発秩序の性質は何か？ また、キタエフスピン液体候補としての内在的量子フラストレーションとどのように関係しているか？
• RQ3 キタエフ（K）とヘイゼンベルグ（J）交換相互作用の相対的強度は、この3Dヘキサゴナルイリデートにおける競合スピン秩序の安定性にどのように影響するか？
• RQ4 観察された場調整相転移が、見かけのネマチック秩序を反映している程度はどの程度か？ また、格子対称性とスピン軌道結合がどのようにその安定化を促進しているか？
• RQ5 非共鳴スパイラル秩序を場誘発ズイ・ザッグ型状態に抑制するエネルギー的コストは何か？ そして、これはβ-Li2IrO3におけるキタエフ支配的性質にどのような意味を持つのか？

主な発見

• b軸に沿った2.8 Tの磁場が、非共鳴スパイラル秩序（T_I = 38 K）を抑制し、場誘発的で非熱力学的かつ複雑に絡んだ秩序を安定化させ、見かけのネマチック状態の兆候を示した。
• 場誘発見かけ秩序（Ψ_V）のエネルギーがΨ_V = 1で最小化されることから、磁場によって強く駆動されたスピンロック状態が安定しており、磁化モーメントがb±a方向に整列していることが示された。
• キタエフ相互作用がヘイゼンベルグ交換相互作用を上回って支配的であり、K ≈ -11.8 meV - 2.3Jという関係が得られ、Kの絶対値がJよりも著しく大きいことが判明した。
• わずか2.8 Tの磁場で観察された非共鳴スパイラル状態と見かけ秩序状態のほぼ簡約性は、β-Li2IrO3に強い量子フラストレーションが存在することを裏付けた。
• Fddd空間群の対称性（回転、反転、グリッド面）は、秩序パラメータΨ_Vがb±a方向にスピン-格子ロックインしていることを支持しており、観察された場応答と整合的であった。
• 比熱（Cp）および磁化（M(H)）に顕著な異常が観察されたにもかかわらず、真の熱力学的相転移が確認されなかったことから、場誘発秩序が従来の相転移ではなく、メタ安定的で場調整による複雑に絡んだ状態であることが確認された。