[论文解读] a rare-earth Kitaev material candidate YbCl$_3$

Jie Xing, Huibo Cao+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2019

Advanced Condensed Matter Physics被引用 3

一句话总结

本研究提出YbCl₃作为稀土Kitaev材料候选，其中Yb³⁺离子形成有效Jₑff = 1/2的Kramers双重态基态。通过热力学、交流磁化率和扭矩测量，揭示了在1.20 K和0.60 K处的两阶段磁有序，且在面内和面外磁场下被抑制，表明存在量子临界点并具有强烈的二维特性，提示YbCl₃比α-RuCl₃更接近实现Kitaev系统。

ABSTRACT

Most of the searches for Kitaev materials deal with $4d/5d$ magnets with spin-orbit-coupled ${J=1/2}$ local moments such as iridates and $\alpha$-RuCl$_3$. Here we propose a new Kitaev material candidate YbCl$_3$. We perform thermodynamic, $ac$ susceptibility and angle-dependent magnetic torque measurements on YbCl$_3$ single crystal. We find that the Yb$^{3+}$ ion exhibits a Kramers doublet ground state that gives rise to an effective spin ${J_{ ext{eff}}=1/2}$ local moment with likely strong anisotropic exchange interactions. The compound exhibits short-range magnetic ordering at around 1.20 K followed by long-range ordering at 0.60 K. These orderings can be suppressed by in-plane and out-of-plane magnetic fields, resulting in a quantum critical point at around 6 and 10 T, respectively. Furthermore, the non-monotonic decrease of Neel temperature under out-of-plane magnetic fields and the 99.8\% of ground state entropy release across the short range ordering, strongly suggest that YbCl$_3$ is more two-dimensional than $\alpha$-RuCl$_3$ and thus a closer realization of a Kitaev system.

研究动机与目标

• 研究YbCl₃是否为具有强自旋-轨道耦合的稀土Kitaev材料候选。
• 确定Yb³⁺离子局域电子态的性质及其有效自旋矩。
• 探测磁有序行为及其在磁场下的抑制，以评估量子临界性。
• 将YbCl₃的二维性与已知的Kitaev候选材料（如α-RuCl₃）进行比较。
• 通过熵释放和磁响应评估其接近Kitaev量子自旋液体的程度。

提出的方法

• 生长高质量YbCl₃单晶以实现高精度测量。
• 进行热力学测量以确定相变过程中比热和熵释放。
• 进行交流磁化率测量以探测动态磁响应和转变温度。
• 进行角度依赖的磁扭矩测量以探测各向异性和磁场诱导的有序抑制。
• 施加面内和面外磁场以识别量子临界点。
• 分析面外磁场下Néel温度的非单调抑制，以推断维度特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 YbCl₃是否具有适合Kitaev物理的Kramers双重态基态及有效Jₑff = 1/2自旋矩？
• RQ2 YbCl₃中的磁有序性质和顺序是什么？其在磁场下的响应如何？
• RQ3 是否可在YbCl₃中诱导出量子临界性？其临界场强为多少？
• RQ4 基于磁响应，YbCl₃的二维性与α-RuCl₃相比如何？
• RQ5 在短程有序转变过程中，基态熵的释放程度如何？

主要发现

• YbCl₃中的Yb³⁺表现出Kramers双重态基态，形成有效Jₑff = 1/2的局域自旋矩，具有强自旋-轨道耦合。
• 在1.20 K发生短程磁有序，随后在0.60 K发生长程磁有序，表明存在两步转变序列。
• 面内磁场在约6 T时抑制长程有序，表明存在量子临界点。
• 面外磁场在约10 T时抑制长程有序，且Néel温度呈现非单调下降，表明量子涨落增强。
• 在短程有序转变过程中，99.8%的基态熵被释放，表明其为高度二维的磁性系统。
• 场诱导的量子临界性与近乎完全的熵释放相结合，强烈表明YbCl₃的二维性优于α-RuCl₃，使其更接近实现Kitaev系统。