[논문 리뷰] Phase Diagram of $α$-RuCl$_3$ in an in-plane Magnetic Field

Jennifer Sears, Yang Zhao외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 24.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 중성자 회절, 자화도 측정 및 열용량 측정을 통해 평면 내 자기장 하에서 α-RuCl₃의 자성 상도를 매핑한다. μ₀Hc = 8 T에서 자성 위상 전이가 발생하며, 이는 나선형 배열이 붕괴되고 에너지 갭이 있는 자성 진동 상태가 나타나는 필드 구동형 양자 상전이임을 규명한다. Tc와 갭 Δ 모두 임계 자기장으로 향해 거듭제곱 법칙에 따라 스케일링되며, 횡방향 자기장 이징 모델 기술과 일치한다.

ABSTRACT

The low-temperature magnetic phases in the layered honeycomb lattice material $α$-RuCl$_3$ have been studied as a function of in-plane magnetic field. In zero field this material orders magnetically below 7 K with so-called zigzag order within the honeycomb planes. Neutron diffraction data show that a relatively small applied field of 2 T is sufficient to suppress the population of the magnetic domain in which the zigzag chains run along the field direction. We found that the intensity of the magnetic peaks due to zigzag order is continuously suppressed with increasing field until their disappearance at $μ_o$H$_c$=8 T. At still higher fields (above 8 T) the zigzag order is destroyed, while bulk magnetization and heat capacity measurements suggest that the material enters a state with gapped magnetic excitations. We discuss the magnetic phase diagram obtained in our study in the context of a quantum phase transition.

연구 동기 및 목표

• 중성자 회절 및 거대 측정을 이용하여 α-RuCl₃의 평면 내 자기장 하에서의 자성 상도를 규명하는 것.
• 나선형 자성 배열의 자기장 유도 억제 및 갭이 있는 진동 상태를 갖는 고자기장 상의 발생을 조사하는 것.
• 관측된 양자 상전이가 횡방향 자기장 이징 모델과 같은 이론 모델과 일치하는지 평가하는 것.
• 평면 내 자기장에 대한 자성 배열 온도 Tc와 에너지 갭 Δ의 스케일링 행동을 특성화하는 것.
• 특히 갭의 유무에 관해 이전 보고서 간의 모순을 해결하는 것, 특히 고자기장 상에서 자성 갭이 존재하는지 여부에 대해

제안 방법

• 저온(2–6 K)에서 평면 내 자기장에 따른 나선형 배열과 관련된 자성 브라그 피크 강도를 추적하기 위해 중성자 회절을 사용하였다.
• 동일한 시료에서 자화도 및 열용량 측정을 수행하여 거대 자성 반응를 조사하고 고자기장 상에서의 에너지 갭 Δ를 추출하였다.
• 자기장에 따른 자성 피크 강도 감쇠를 거듭제곱 법칙 (H − Hc)^2β*에 적합시켜 임계 자기장 μ₀Hc를 결정하였다. 이때 β* = 0.28을 산출하였다.
• 자성 질서 변수의 온도 의존성을 임계 지수 β*에 적합시켜 임계 행동을 평가하였다.
• 저온 열용량 데이터에서 에너지 갭 Δ를 추출하고, Δ ∼ (H − Hc*)^zν 형태로 적합하였으며, zν ≈ 1로 산출되었다.
• 실험적 상경계를 횡방향 자기장 이징 모델(TFIM)의 평균장 상도도와 비교하여 정성적 일치 여부를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 평면 내 자기장은 α-RuCl₃의 나선형 자성 배열을 어떻게 억제하며, 장거리 질서가 사라지는 자기장은 어느 정도인가?
• RQ2 임계 자기장 이상의 고자기장 상의 성격은 무엇이며, NMR에서 제안한 바와 같이 갭이 있는 자성 진동을 나타내는가?
• RQ3 Hc 이하의 에너지 척도 Tc와 Hc 이상의 에너지 갭 Δ이 임계 자기장으로 향해 거듭제곱 법칙에 따라 스케일링되는가? 이는 양자 임계현상을 시사하는가?
• RQ4 관측된 상도는 어느 정도 횡방향 자기장 이징 모델의 상도도와 유사한가?
• RQ5 열전도도 측정은 갭이 없는 진동을 시사하지만, NMR 및 열용량 데이터는 갭이 있는 상을 나타내는데, 이는 어떻게 설명되는가?

주요 결과

• α-RuCl₃의 나선형 자성 배열은 평면 내 자기장이 증가함에 따라 연속적으로 억제되며, 임계 자기장 μ₀Hc = 8 T에서 완전히 사라진다.
• 중성자 회절 결과, 2 T에서 한 나선형 도메인의 자성 피크 강도가 사라지며, 이는 자기장에 의해 유도된 자성 도메인 재정렬을 나타낸다.
• 자기장에 따른 자성 배열 온도 Tc(H)는 Tc(H) ∼ (Hc − H)^0.18로 스케일링되며, 이는 양자 임계점 근처에서의 거듭제곱 법칙 스케일링과 일치한다.
• 고자기장 상의 에너지 갭 Δ는 Δ ∼ (H − Hc*)^zν 형태로 스케일링되며, zν ≈ 1로 산출되었고, Hc* ≈ 6.5 T에서 Δ가 사라지며, 임계 자기장 Hc = 8 T보다 略적으로 낮다.
• 질서 변수 적합에서 유도된 임계 지수 β* = 0.28은 2D 이징 모델의 이론적 값 0.32와 가까워, 양자 임계 행동을 지지한다.
• 상도 및 임계 스케일링은 횡방향 자기장 이징 모델의 평균장 상도도와 양호한 정성적 일치를 보이며, 이 모델이 α-RuCl₃의 양자 상전이의 핵심 요소를 잘 묘사하고 있음을 시사한다.