[論文レビュー] Geometrical frustration versus Kitaev interactions in BaCo$_2$(AsO$_4$)$_2$

Thomas Halloran, Félix Desrochers+13 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2022

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、非弾性中性子散乱および高場磁化測定を用いてコバルト酸化物系蜂の巣格子磁性体BaCo₂(AsO₄)₂における磁気的相互作用を調査した。データは、Kitaev型の$JK\Gamma\Gamma^{\prime}$モデルではなく、近接するおよび第3近隣のスピン相互作用が競合するXXZ–J₁–J₃モデルを強く支持しており、BCAOがKitaevスピン液体候補であるにもかかわらず、支配的なKitaev相互作用を有しないことが示された。

ABSTRACT

Recently, Co-based honeycomb magnets have been proposed as promising candidate materials to host the Kitaev spin liquid state. One of the front-runners is BaCo$_2$(AsO$_4$)$_2$ (BCAO), where it was suggested that the exchange processes between Co$^{2+}$ ions via the surrounding edge-sharing oxygen octahedra could give rise to bond-dependent Kitaev interactions. In this work, we present and analyze comprehensive inelastic neutron scattering studies of BCAO with fields in the honeycomb plane. Combining the constraints from the magnon excitations in the high-field polarized state and the inelastic spin structure factor measured in zero magnetic field, we examine two leading theoretical models: the Kitaev-type \JKG model and the \XXZ model. We show that the existing experimental data can be consistently accounted for by the \XXZ model but not by the \JKG model, and we discuss the implications of these results for the realization of a spin liquid phase in BCAO and more generally for the realization of the Kitaev model in cobaltates.

研究の動機と目的

• コバルト系蜂の巣格子磁性体におけるKitaev相互作用が支配的であるかどうかを特定すること。
• Kitaev型の$JK\Gamma\Gamma^{\prime}$モデルとXXZ–$J_1$–$J_3$モデルの間で競合する理論的モデルを解明すること。
• モード励起およびスピン構造因子からの実験的制約に基づき、この物質が量子スピン液体相に近いかどうかを評価すること。
• この有望な候補系における磁気的相互作用の性質を明確に実験的に検証すること。
• 蜂の巣格子コバルト酸化物における場駆動量子相転移に関する今後の研究を導くこと。

提案手法

• ヘキサゴナル平面に磁場を印加した状態で、単結晶BaCo₂(AsO₄)₂に対する包括的な非弾性中性子散乱（INS）測定を実施した。
• 高場で磁化が整列した状態におけるスピン励起スペクトルを解析し、スピンハミルトニアンのパラメータを制約した。
• ゼロ磁場下での非弾性スピン構造因子を測定し、動的スピン相関を抽出した。
• 理論的モデルとして$JK\Gamma\Gamma^{\prime}$モデルとXXZ–$J_1$–$J_3$モデルの両方の予測と実験データを比較した。
• 観測されたスピン励起分散およびスペクトル強度の整合性から、$JK\Gamma\Gamma^{\prime}$モデルを除外した。
• 磁場の方向依存磁化から得られる対称性および異方性制約を用いて、モデル間の区別をさらに明確にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BaCo₂(AsO₄)₂は、$JK\Gamma\Gamma^{\prime}$モデルが予測するように、結合依存のKitaev相互作用が支配的であるか？
• RQ2 観測された非弾性中性子散乱スペクトルは、$JK\Gamma\Gamma^{\prime}$モデルかXXZ–$J_1$–$J_3$モデルのどちらによって一貫して説明可能か？
• RQ3 $J_1$と$J_3$の相互作用の競合による幾何学的フラストレーションが、スピン液体行動の安定化または抑制に果たす役割は何か？
• RQ4 この系に場駆動量子臨界性またはトポロジカル秩序の実験的証拠はあるか？
• RQ5 面内磁場下での磁化の異方性は、Kitaevモデルと非Kitaevモデルをどのように区別するか？

主な発見

• 実験的非弾性中性子散乱データは、$JK\Gamma\Gamma^{\prime}$モデルと整合しない。このモデルは観測されたスピン励起分散およびスペクトル強度を再現できない。
• データは一貫してXXZ–$J_1$–$J_3$モデルによって説明可能であり、測定されたスピン構造因子および高場スピン励起をうまく再現している。
• 強い平面内容易性異方性および場駆動遷移が観測され、これはXXZ–$J_1$–$J_3$モデルに一致するが、$JK\Gamma\Gamma^{\prime}$モデルが予測する等方的挙動とは矛盾する。
• 強いKitaev相互作用の欠如は、BaCo₂(AsO₄)₂が、良好な結晶構造と高品質な単結晶を有するにもかかわらず、Kitaevスピン液体基底状態を実現しないことを示唆する。
• $J_1$と$J_3$の相互作用の競合は幾何学的フラストレーションを引き起こし、BCAOが外部磁場でチューニング可能な量子スピン液体相に近い可能性を示唆している。
• 一および二スピン励起モード間の強い結合は、異常なスピン励起相互作用を示しており、トポロジカル相または強化された量子フラクチュエーションに近接している可能性を示唆している。