[論文レビュー] Robustness of the thermal Hall effect close to half-quantization in a field-induced spin liquid state

J. A. N. Bruin, R. R. Claus+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2021

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、α-RuCl₃における場誘発スピン液体状態の熱ホール効果を調査し、特にH∥ > 10 TおよびT < 6.5 Kの条件下で、H_C2 ≈ 7 T以上の領域にわたり、きわめて安定した半量子化された熱ホール伝導度（kXY/T ≈ kHQ/T）を明らかにした。これは、発現するメイジョラナエッジモードを有するトポロジカル状態の存在を支持するものであり、10 T近辺で見られる縦方向熱伝導度および磁化の異常とも複雑な相関関係を示している。

ABSTRACT

Thermal signatures of fractionalized excitations are a fingerprint of quantum spin liquids (QSLs). In the $J_{eff}=1/2$ honeycomb magnet $α$-RuCl$_3$, a QSL state emerges upon applying an in-plane magnetic field $H_{||}$ greater than the critical field $H_{C2} \approx$ 7 T along the a-axis, where the thermal Hall conductivity ($k_{XY}/T$) was reported to take on the half-quantized value $k_{HQ}/T$. This finding was discussed as a signature of an emergent Majorana edge mode predicted for the Kitaev QSL. The $H_{||}$- and $T$-range of the half-quantized signal and its relevance to a Majorana edge mode are, however, still under debate. Here we present a comprehensive study of $k_{XY}/T$ in $α$-RuCl$_3$ with $H_{||}$ up to 13 T and $T$ down to 250 mK, which reveals the presence of an extended region of the phase diagram with $k_{XY}/T \approx k_{HQ}/T$ above $H_{C2}$, in particular across a plateau-like plane for $H_{||}$ &gt; 10 T and $T$ &lt; 6.5 K. From 7 T up to $\sim$10 T, $k_{XY}/T$ is suppressed to zero upon cooling to lowest temperature without any plateau-like behavior and exhibits correlations with complex anomalies in the longitudinal thermal conductivity ($k_{XX}$) and magnetization around 10 T. The results are in support of a topological state with a half-quantized $k_{XY}/T$ and suggest an interplay with crossovers or weak phase transitions beyond $H_{C2}$ in RuCl$_3$.

研究の動機と目的

• 高イン-plane磁場下におけるα-RuCl₃における半量子化された熱ホール伝導度（kXY/T）の安定性および空間的広がりを調査すること。
• 観測されたkXY/T ≈ kHQ/Tが、発現するメイジョラナエッジモードを有するトポロジカル量子スピン液体状態の強固な兆候であるかどうかを特定すること。
• H_C2を超えた領域における半量子化信号の磁場および温度依存性、およびそれらが位相転移またはクロスオーバーに起因するものかどうかという未解決の議論を解明すること。
• 場誘発スピン液体状態領域におけるkXY/T、縦方向熱伝導度（kXX）、および磁化との相関関係を調査すること。

提案手法

• 単結晶α-RuCl₃における熱ホール伝導度（kXY/T）を、13 Tまでの広いイン-plane磁場範囲および250 mKまでの低温範囲で測定する。
• kXY/Tの異常と相関するため、同時に縦方向熱伝導度（kXX）および磁化を測定する。
• H∥–T平面におけるα-RuCl₃の相図をマッピングし、半量子化されたkXY/T領域およびプラトー様の挙動領域を特定する。
• kXY/Tの磁場および温度依存性の変化を分析し、トポロジカルな特徴と競合する秩序やクロスオーバーを区別する。
• 実験的kXY/T値を、Kitaev QSLの理論的半量子化熱ホール伝導度kHQ/T = (π²k_B²T)/(3h)と比較する。
• 高精度な輸送および熱力学的測定を用いて、異なる磁場および温度領域における半量子化信号の強度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 α-RuCl₃における半量子化された熱ホール伝導度（kXY/T ≈ kHQ/T）は、広いイン-plane磁場範囲および低温度領域で安定しているか？
• RQ2 10 Tを超える領域および6.5 K未満の温度で観測されたkXY/Tのプラトー様挙動は、発現するメイジョラナエッジモードを有するトポロジカルスピン液体状態の存在を支持するか？
• RQ3 10 T近辺におけるkXXおよび磁化の異常は、kXY/Tの挙動とどのように相関しているか？
• RQ4 α-RuCl₃においてH_C2 ≈ 7 Tを超えた領域で観察される磁場および温度依存のクロスオーバーまたは弱い位相転移の性質は何か？
• RQ5 半量子化されたkXY/T信号は、競合する秩序や非トポロジカル効果の影響をどの程度受けるか？

主な発見

• H_C2 ≈ 7 Tを超える領域、特にH∥ > 10 TおよびT < 6.5 Kの範囲で、kXY/T ≈ kHQ/Tの広い領域が観測され、強固なトポロジカルな挙動を示している。
• H∥ > 10 TおよびT < 6.5 Kの範囲で、kXY/Tにプラトー様の領域が特定され、半量子化された熱ホール応答を示す安定なトポロジカル相の存在を示唆している。
• 7 T < H∥ < 10 Tの範囲では、6.5 K未満の冷却に伴いkXY/Tがゼロに減少し、プラトーの形成がないことから、熱ホール信号が抑制されていることが示された。
• kXY/Tの抑制と10 T近辺のkXXおよび磁化の異常との強い相関が観測され、クロスオーバーや弱い位相転移との相互作用を示唆している。
• 結果は、発現するメイジョラナエッジモードを有するトポロジカル状態の存在を支持しており、Kitaev量子スピン液体と整合的であるが、相図における複雑な競合挙動を伴う。
• 半量子化されたkXY/Tは、狭い範囲や一時的な特徴ではなく、磁場–温度相図の広い領域にわたり、強固で測定可能なシグナルである。