[논문 리뷰] Field-induced quantum spin disordered state in spin-1/2 honeycomb magnet Na2Co2TeO6 with small Kitaev interaction

Gaoting Lin, Jaehong Jeong외 25명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 02.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 3d 기반 허브슨 자성체 Na2Co2TeO6 (NCTO)의 자성 특성을 조사하며, 작은 Kitaev 상호작용에도 불구하고 7.5 T에서 10.5 T 사이의 횡방향 자장에서 양자 스핀 무질서 상태가 유도되는 것을 밝혀내었다. 이 관측 결과는 Kitaev 시스템에 대한 기존 이론적 프레임워크에 도전하며, NCTO가 약한 Kitaev 결합을 가진 물질에서 양자 스핀 액체를 연구하는 데 있어 유일한 플랫폼임을 강조한다.

ABSTRACT

Spin-orbit coupled honeycomb magnets with the Kitaev interaction have caught lots of attention since they host exotic physical properties, including the long-sought quantum spin-liquid (QSL) state. So far, the most studied Kitaev systems are 4d/5d-based honeycomb magnets. Meanwhile, recent theoretical studies predicted that 3d-based honeycomb magnets, including Na2Co2TeO6 (NCTO), could also be a potential Kitaev system. To explore this possibility, we studied the magnetic phase diagram and spin-wave excitations of NCTO. While a relatively small K interaction is obtained in NCTO, it is surprising to observe a field-induced spin disordered state within applied magnetic field of 7.5 T < B (perpendicular to b-axis) < 10.5 T. Therefore, NCTO is a unique example to exhibit field-induced disordered state on effective spin-1/2 honeycomb lattice but with small K interaction, which does not fit to existing theoretical frame and calls for future studies.

연구 동기 및 목표

• 3d 허브슨 자성체 Na2Co2TeO6 (NCTO)의 자성 상도도 및 스핀파 진동수를 탐구하여 Kitaev 스핀 액체 거동의 후보가 되는지 확인한다.
• NCTO가 작은 Kitaev 상호작용에도 불구하고 자기장에 의해 유도된 양자 스핀 무질서 상태를 나타내는지 확인한다.
• 관측된 스핀 무질서 상태가 기존 Kitaev 시스템 이론 모델에 부합하는지 평가한다.
• 스핀-오비트 결합 및 자성 이방성의 역할을 3d 기반 허브슨 자성체에서 특이한 양자 상을 안정화시키는 데서 규명한다.

제안 방법

• 적용된 자기장 하에서 Na2Co2TeO6의 자성 전이를 탐지하기 위해 자화율 및 잠열을 측정한다.
• 비탄성 중성자 산란을 수행하여 스핀파 진동수를 매핑하고, 금속 또는 비금속 모드의 존재를 확인한다.
• 횡방향 자기장(B는 b축에 수직)에서의 자성 반응을 분석하여 양자 스핀 액체 거동의 징후를 탐지한다.
• Kitaev 스핀 액체 이론 모델(분할된 진동수를 가진 스핀 액체 상태 포함)과 실험 데이터를 비교한다.
• 스핀 무질서가 나타나는 자기장 범위를 특정하기 위해 자기장 의존성 자화 측정을 수행한다.
• Dzyaloshinskii-Moriya 및 헤이젠베르크 항을 포함한 스핀 해밀토니안 모델에 적합하여 Kitaev 상호작용의 강도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Na2Co2TeO6는 작은 Kitaev 상호작용에도 불구하고 횡방향 자기장에서 자기장에 의해 유도된 양자 스핀 무질서 상태를 나타내는가?
• RQ2 외부 자기장이 존재할 때 NCTO의 자성 반응은 전통적인 자성 정렬 상태와 어떻게 다를까?
• RQ3 관측된 스핀 무질서 상태는 3d 허브슨 시스템에서 Kitaev 스핀 액체에 대한 이론적 예측과 일치하는가?
• RQ4 스핀-오비트 결합 및 자성 이방성이 NCTO에서 자기장에 의해 유도된 무질서 상을 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 NCTO의 작은 Kitaev 상호작용이 잠재적인 양자 스핀 액체 거동을 지탱할 수 있는가?

주요 결과

• 7.5 T에서 10.5 T 사이의 횡방향 자기장 하에서 Na2Co2TeO6에서 자기장에 의해 유도된 양자 스핀 무질서 상태가 관측되었다.
• 상대적으로 작은 Kitaev 상호작용에도 불구하고 시스템이 스핀 무질서 거동을 나타내어, 표준 Kitaev 스핀 액체 모델에서 벗어난다.
• 이 자기장 범위에서 장거리 자성 정렬이 관측되지 않아, 자성 무질서가 양자 변동에 의해 억제된 것으로 나타났다.
• 관측된 스핀 무질서 상태는 기존 Kitaev 시스템 이론 프레임워크에 부합하지 않으며, 새로운 이론적 기술이 필요함을 시사한다.
• 결과적으로 NCTO는 약한 Kitaev 결합을 가진 3d 기반 허브슨 자성체에서 자기장에 의해 유도된 양자 스핀 무질서 상태를 갖는 고유한 사례로 확립되었다.
• 이러한 발견은 작은 Kitaev 상호작용을 가진 3d 기반 허브슨 자성체가 여전히 특이한 양자 상을 가질 수 있음을 시사하며, 양자 스핀 액체의 탐색 공간을 넓히고 있다.