[論文レビュー] Field-Induced Spin Excitations in the Spin-1/2 Triangular-Lattice Antiferromagnet CsYbSe$_2$

Tao Xie, Jie Xing+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2021

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 52被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、スピン1/2の三角格子反強磁性体CsYbSe2における、初めての現場内非弾性中性子散乱研究を報告し、ゼロ磁場下でのギャップレスで連続的（連続的様）なスピン励起から、1/3磁化プラトー状態における明確な磁気モードへの磁場チューニングされた遷移を明らかにした。実験データは、最近接相互作用を有する等方的ヘイゼンベルグ模型を用いた大規模な密度行列縮約法（DMRG）計算によって定量的に再現され、スピン力学は主に近接スピン間の反強磁性相互作用によって支配されており、CsYbSe2が量子スピン液体と120°秩序状態の間の臨界領域に位置することを示唆している。

ABSTRACT

A layered triangular lattice with spin-1/2 ions is an ideal platform to explore highly entangled exotic states like quantum spin liquid (QSL). Here, we report a systematic in-field neutron scattering study on a perfect two-dimensional triangular-lattice antiferromagnet, CsYbSe$_2$, a member of the large QSL candidate family rare-earth chalcogenides. The elastic neutron scattering measured down to 70 mK shows that there is a short-range 120$^{\circ}$ magnetic order at zero field. In the field-induced ordered states, the spin-spin correlation lengths along the $c$ axis are relatively short, although the heat capacity results indicate long-range magnetic orders at 3 T $-$ 5 T. The inelastic neutron scattering spectra evolve from highly damped continuum-like excitations at zero field to relatively sharp spin wave modes at the plateau phase. Our extensive large-cluster density-matrix renormalization group calculations with a Heisenberg triangular-lattice nearest-neighbor antiferromagnetic model reproduce the essential features of the experimental spectra, including continuum-like excitations at zero field, series of sharp magnons at the plateau phase as well as two-magnon excitations at high energy. This work presents comprehensive experimental and theoretical overview of the unconventional field-induced spin dynamics in triangular-lattice Heisenberg antiferromagnet and thus provides valuable insight into quantum many-body phenomena.

研究の動機と目的

• 理想のスピン1/2の三角格子反強磁性体CsYbSe2における磁場誘発スピン力学を調査すること。これは、量子スピン液体（QSL）挙動の候補である。
• 観測されたゼロ磁場下の連続的様励起が、内在的な量子スピン液体物理学由来であるのか、不純物由来のアーティファクト由来であるのかを特定すること。
• 強いかき乱された磁性体におけるスピン励起理論モデルと、実験的非弾性中性子散乱スペクトルとの間の定量的関係を確立すること。
• 純粋で不純物のない系における磁気的基底状態および磁場下での相転移の性質を明確にすること。
• 等方的ヘイゼンベルグ模型が、異なる磁場誘発相におけるスピン力学を記述するのにどの程度有効であるかを評価すること。

提案手法

• 非弾性中性子散乱（INS）測定をスパリケーション中性子源で実施し、ゼロ磁場から8 Tまでのスピン励起スペクトルを測定した。
• 70 mKでの弾性中性子散乱により、長距離秩序が観測されないにもかかわらず、ゼロ磁場下で短距離120°磁気秩序が確認された。
• 有限サイズのクラスターを用いた大規模な密度行列縮約法（DMRG）計算を実施し、最近接反強磁性相互作用を有する等方的ヘイゼンベルグハミルトニアンを用いてスピン励起スペクトルをシミュレートした。
• 理論的スペクトルを実験データと直接比較することで、量子揺らぎおよび異方性の役割を検証した。
• 磁場依存の比熱および中性子回折データを用いて、B–T相図を構築し、3–5 Tで磁場誘発長距離秩序が発現することを同定した。
• 理論的計算には、磁気モード、2スピン子励起、および高エネルギー領域での共鳴的特徴の分析を含み、スピン子連続体およびギャップを持つモードと整合的であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CsYbSe2におけるゼロ磁場下の連続的様励起は、真の量子スピン液体由来であるのか、不純物由来のアーティファクト由来であるのか？
• RQ2 ゼロ磁場下の非一様的・広帯域の連続的モードから、外部磁場を加えることでどのようにスピン励起が一様的・明確な磁気モードに進化するのか？
• RQ3 等方的ヘイゼンベルグ模型が、三角格子上でのCsYbSe2の観測された磁場誘発スピン力学をどの程度定量的に記述できるか？
• RQ4 CsYbSe2における磁気的基底状態の性質は何か？ また、これは量子スピン液体と120°秩序状態の間の量子臨界点付近にあると見なせるか？
• RQ5 観測された磁場誘発磁気モードおよびその寿命の延長は、1/3磁化プラトーの形成と整合的であるか？

主な発見

• 70 mKでの弾性中性子散乱により、ゼロ磁場下で短距離120°磁気秩序が確認され、系が量子臨界点付近にあることを示唆した。
• ゼロ磁場下の非弾性中性子散乱では、ブリユアンゾーンのK点（1/3, 1/3, 0）を中心に、非常に減衰が大きく連続的（連続的様）な励起スペクトルが観測され、2.5 meVまで拡張していた。
• 1/3磁化プラトー状態（3–5 T）では、スピン励起が明確で、高寿命の鋭い磁気モードに進化しており、一様な磁気モード伝播が示唆された。
• 等方的ヘイゼンベルグ模型を用いたDMRG計算により、実験スペクトルが定量的に再現され、ゼロ磁場下の連続的励起、プラトー状態における鋭い磁気モード、および高エネルギー領域の2スピン子励起が再現された。
• 実験と理論の整合性から、CsYbSe2におけるスピン力学は主に等方的最近接反強磁性相互作用によって支配されており、異方性は最小限に抑えられていることが示された。
• 短距離120°秩序とギャップレス連続的励起の共存は、CsYbSe2が120°秩序状態と仮定される量子スピン液体状態の間の臨界領域に位置している可能性を示唆した。