[论文解读] Triple-q order in Na$_2$Co$_2$TeO$_6$ from proximity to hidden-SU(2)-symmetric point

Wilhelm G. F. Krüger, Wenjie Chen+3 more|PubMed|Nov 30, 2022

Advanced Condensed Matter Physics被引用 5

一句话总结

该论文将 Na₂Co₂TeO₆ 的低温磁序识别为具有 8 个自旋单元的三重-{ cdot{mathbf{q}}} 态，其源于自旋模型中接近隐藏-SU(2) 对称点的特性。通过自旋对偶变换及对非弹性中子散射数据的分析，作者表明该态可解释观测到的高对称性、色散型低能能带以及简并的高能模式，其磁激发谱对称性可将该态与自旋域混合的单-{ cdot{mathbf{q}}} 态区分开来。

ABSTRACT

In extended Heisenberg-Kitaev-Gamma-type spin models, hidden-SU(2)-symmetric points are isolated points in parameter space that can be mapped to pure Heisenberg models via nontrivial duality transformations. Such points generically feature quantum degeneracy between conventional single-q and exotic multi-q states. We argue that recent single-crystal inelastic neutron scattering data place the honeycomb magnet Na_{2}Co_{2}TeO_{6} in proximity to such a hidden-SU(2)-symmetric point. The low-temperature order is identified as a triple-q state arising from the Néel antiferromagnet with staggered magnetization in the out-of-plane direction via a 4-sublattice duality transformation. This state naturally explains various distinctive features of the magnetic excitation spectrum, including its surprisingly high symmetry and the dispersive low-energy and flat high-energy bands. Our result demonstrates the importance of bond-dependent exchange interactions in cobaltates, and illustrates the intriguing magnetic behavior resulting from them.

研究动机与目标

• 解决 Na₂Co₂TeO₆ 磁性基态长期存在的模糊性，其特征与传统单-{ cdot{mathbf{q}}} 磁序不一致。
• 利用磁激发谱的对称性，区分多-{ cdot{mathbf{q}}} 三重-{ cdot{mathbf{q}}} 态与自旋域混合的单-{ cdot{mathbf{q}}} 态。
• 确立 Na₂Co₂TeO₆ 位于其自旋模型中接近隐藏-SU(2) 对称点的位置，此时单-{ cdot{mathbf{q}}} 与多-{ cdot{mathbf{q}}} 态发生量子简并。
• 在统一的理论框架内，解释非弹性中子散射谱的显著特征，特别是色散型低能与简并的高能能带。
• 证明键依赖的交换相互作用（Kitaev、Heisenberg 和 $γ$-型）对理解钴氧化物中奇异磁序至关重要。

提出的方法

• 采用经典蒙特卡洛模拟，绘制自旋模型在隐藏-SU(2) 对称点附近的相图。
• 应用四子晶格对偶变换，将具有面外次晶格磁化的 Néel 反铁磁态映射为三重-{ cdot{mathbf{q}}} 态。
• 利用自旋波线性理论，沿第一布里渊区的高对称路径计算锯齿型与三重-{ cdot{mathbf{q}}} 磁序的自旋波色散关系。
• 分析高质量单晶 Na₂Co₂TeO₆ 的实验非弹性中子散射数据，将理论谱与实验观测对比。
• 将自旋哈密顿量拟合至实验数据，提取主要耦合项：|K₁|/k_B ≈ 8.3 meV/K，表明在隐藏-SU(2) 点附近 Kitaev 耦合占主导。
• 通过磁布里渊区几何结构，对比磁激发谱的对称性——特别是三重-{ cdot{mathbf{q}}} 态的高对称性与锯齿型态的对称性破缺——实现区分。

实验结果

研究问题

• RQ1 Na₂Co₂TeO₆ 的中子散射谱中观测到的高对称性与能带结构，能否由三重-{ cdot{mathbf{q}}} 磁序而非自旋域混合的单-{ cdot{mathbf{q}}} 态来解释？
• RQ2 Na₂Co₂TeO₆ 是否接近其自旋模型中的隐藏-SU(2) 对称点，使得单-{ cdot{mathbf{q}}} 与多-{ cdot{mathbf{q}}} 态发生量子简并？
• RQ3 Na₂Co₂TeO₆ 中观测到的色散型低能与简并高能自旋波能带的起源是什么？
• RQ4 自旋对偶变换与磁布里渊区对称性如何在中子散射中区分多-{ cdot{mathbf{q}}} 态与自旋域平均的单-{ cdot{mathbf{q}}} 态？
• RQ5 Kitaev 耦合在稳定三重-{ cdot{mathbf{q}}} 态及影响磁场与温度依赖的相变中起什么作用？

主要发现

• Na₂Co₂TeO₆ 的低温磁序被识别为具有六边形 8 个自旋单元的三重-{ cdot{mathbf{q}}} 态，其在 1/4 的晶胞上呈现涡旋自旋结构。
• 三重-{ cdot{mathbf{q}}} 态源于具有面外次晶格磁化的 Néel 反铁磁态的对偶变换，与隐藏-SU(2) 对称点直接关联。
• 磁激发谱的高对称性——特别是沿高对称路径的对称色散——可将三重-{ cdot{mathbf{q}}} 态与自旋域混合的单-{ cdot{mathbf{q}}} 态区分开来。
• 色散型低能模式与简并的高能能带可自然地由三重-{ cdot{mathbf{q}}} 磁序及其内在对称性解释。
• 远离隐藏-SU(2) 对称点的主要微扰为向铁磁 Kitaev 极限的演化，|K₁|/k_B ≈ 8.3 meV/K，与 Néel 温度 T_N ≈ 30 K 一致。
• 该模型预测在低场下为三重-{ cdot{mathbf{q}}} 态，中等磁场下发生自旋波转为受扰的锯齿型态，且在中等面内磁场下可能存在场诱导的量子自旋液体态。