[論文レビュー] Kitaev quantum spin liquid - concept and materialization

H. Takagi, T. Takayama+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2019

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 100被引用数 10

ひとこと要約

本レビューは、相関するイリジウムおよびルテニウム酸化物材料におけるキタエフ量子スピン液体（QSL）実現に向けた理論的枠組みと実験的進展を統合的に概説する。スピン-軌道結合による $J_{\rm eff} = 1/2$ モーメントを有するヘキサゴナル構造、たとえば $\alpha$-RuCl$_3$ や H$_3$LiIr$_2$O$_6$ において、分数化したメジャナナフェルミオンが実現され、外部磁場下でのQSL的挙動および異常な熱輸送の証拠が得られている。これはトポロジカルな量子物質実現に向けた重要な一歩である。

ABSTRACT

A decade ago, Alexei Kitaev proposed an exactly solvable $S$ = 1/2 model on a two-dimensional honeycomb lattice, where the spins fractionalize into Majorana fermions and form a topological quantum spin liquid (QSL) in the ground state. It was soon recognized that a family of complex iridium oxides, as well as ruthenium chloride, with honeycomb structure are magnetic insulators and accommodate essential ingredients of the Kitaev model, due to the interplay of electron correlation and spin-orbit coupling. This initiated a race to materialize the Kitaev QSL and to capture the signature of Majorana fermions. In this review, we provide a wide perspective of this rapidly growing field, including theory, materials and experiment. We first summarize the theoretical background of the Kitaev QSL ground state and its materialization using spin-orbital-entangled $J_{ m eff}$ = 1/2 moments. This is followed by an overview of candidate materials and their magnetic properties, including Na$_2$IrO$_3$, $α$, $β$, $γ$-Li$_2$IrO$_3$,$α$-RuCl$_3$ and H$_3$LiIr$_2$O$_6$. Finally, we review the latest exciting progress in the search for the Kitaev QSL. In particular, H$_3$LiIr$_2$O$_6$ and $α$-RuCl$_3$ in applied magnetic field show signatures of the QSL state, and $α$-RuCl$_3$ has unusual magnetic excitations and thermal transport properties that are consistent with spin fractionalization.

研究の動機と目的

• キタエフ量子スピン液体（QSL）基底状態の理論的基盤を包括的に概説すること。
• Na$_2$IrO$_3$、$\alpha$-RuCl$_3$、H$_3$LiIr$_2$O$_6$ などの候補材料—キタエフQSLを実現するための主要な要素を有するもの—を特定・分析すること。
• キタエフQSLの実験的兆候、特に $\alpha$-RuCl$_3$ における外部磁場下でのスピンの分数化およびトポロジカル秩序のレビュー。
• スピン-軌道結合および電子相関がキタエフモデルに不可欠な $J_{\rm eff} = 1/2$ モーメントの安定化に果たす役割を評価すること。
• メジャナナフェルミオン的挙動に整合する熱輸送および磁気励起スペクトルの最新の進展を強調すること。

提案手法

• スピン-1/2自由度を有するヘキサゴナル格子上の正確に解けるキタエフモデルの理論的分析。
• スピン-軌道エンタングルメント理論を用いて、5d遷移金属酸化物における $J_{\rm eff} = 1/2$ 有効モーメントの同定。
• ab initio計算および対称性解析を用いて、候補材料におけるキタエフ型交換相互作用の関連性を特定。
• ナトリウムイリジウム酸化物やルテニウム化合物を含む複数のイリジウムおよびルテニウム化合物における磁気的性質（スピン液体的挙動、異方的交換相互作用、磁場誘起転移など）の比較。
• 中性子散乱、比熱、熱伝導度、高磁場下での磁化からの実験データの解釈。
• トポロジカル場理論を応用し、観測された分数化励起をQSL相におけるメジャナナフェルミオンに結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの材料がキタエフQSLを実現するために必要なスピン-軌道結合による $J_{\rm eff} = 1/2$ モーメントを有するか？
• RQ2 分数化したメジャナナフェルミオンを有する量子スピン液体の存在を確認する実験的兆候は何か？
• RQ3 外部磁場および格子構造は、$\alpha$-RuCl$_3$ などの候補材料におけるキタエフQSLの安定性にどのように影響するか？
• RQ4 $\alpha$-RuCl$_3$ や H$_3$LiIr$_2$O$_6$ における熱輸送および磁気励起スペクトルは、スピンの分数化をどの程度支持するか？
• RQ5 電子相関および軌道混合は、キタエフスピン液体相の安定化にどのような役割を果たすか？

主な発見

• H$_3$LiIr$_2$O$_6$ は、ギャップレススピンオン励起の証拠を示す、磁場調整型量子スピン液体状態の兆候を示している。
• $\alpha$-RuCl$_3$ は、高磁場下で分数化したメジャナナフェルミオンに一致する異常な磁気励起を示している。
• $\alpha$-RuCl$_3$ における熱伝導度測定では、低温域で温度に比例する線形依存が観測され、ギャップレスの分数化した準粒子を示している。
• $\alpha$-RuCl$_3$ のスピン液体的挙動は、強いスピン-軌道結合および結合異方的キタエフ交換相互作用によって安定化されている。
• Na$_2$IrO$_3$ および $\beta$-Li$_2$IrO$_3$ はスピン液体的挙動を示すが、低温で磁気秩序が生じるため、それほど有望ではない。
• 理論的モデリングにより、5dイリジウム酸化物における $J_{\rm eff} = 1/2$ モーメントがキタエフQSL実現の鍵であることが確認され、スピン-軌道エンタングルメントが磁気秩序の抑制に寄与している。