[论文解读] Absence of magnetic thermal conductivity in the quantum spin liquid candidate YbMgGaO4
本研究对YbMgGaO4单晶进行了超低温度比热和热导率测量，揭示出磁性比热呈幂律依赖关系（Cₘ ∼ T⁰.⁷⁴），表明存在无能隙激发，但在零场下未检测到磁性热导率。尽管磁性比热较大，却无磁性热导率，这一现象强烈限制了其量子自旋液体基态的理论模型。
We present the ultralow-temperature specific heat and thermal conductivity measurements on single crystals of YbMgGaO_{4}, which was recently argued to be a promising candidate for a quantum spin liquid (QSL). In a zero magnetic field, a large magnetic contribution of specific heat is observed, and exhibits a power-law temperature dependence (C_{m}∼T^{0.74}). On the contrary, we do not observe any significant contribution of thermal conductivity from magnetic excitations. In magnetic fields H≥6 T, the exponential T dependence of C_{m} and the enhanced thermal conductivity indicate a magnon gap of the fully polarized state. The absence of magnetic thermal conductivity at the zero field in this QSL candidate puts a strong constraint on the theories of its ground state.
研究动机与目标
- 通过超低温度测量，研究YbMgGaO4中低能磁激发行为，该材料被提议为量子自旋液体（QSL）候选体。
- 解决YbMgGaO4中无能隙磁性比热与磁性热导率缺失之间的明显矛盾。
- 确定基态是否为具有自旋子费米面的无能隙U(1) QSL，或为具有局域激发的能隙态。
- 通过测量高质量单晶的热响应，约束QSL基态的理论模型。
- 评估无序和散射机制在抑制自旋子热输运中的作用，尽管磁性比热较高。
提出的方法
- 使用带有稀释制冷机的物理性质测量系统，在0.05–3 K温度范围内进行超低温度比热测量。
- 通过标准四线稳态法测量热导率，并在沿ab面切割的单晶上使用原位校准的RuO2芯片温度计。
- 沿c轴施加最高达9 T的磁场，以探测向完全极化态的场诱导相变。
- 使用LuMgGaO4作为非磁性参照物，以分离热导率中的声子贡献。
- 采用热导率的动能公式进行数据分析：κₘ = (1/3)Cₘv_Fl，关联磁性比热、费米速度和自旋子平均自由程。
- 将实验结果与U(1) QSL理论预测及自旋子费米面模型进行比较，以评估一致性。
实验结果
研究问题
- RQ1YbMgGaO4是否表现出与量子自旋液体中无能隙自旋子激发一致的磁性热导率？
- RQ2零场下大磁性比热（Cₘ ∼ T⁰.⁷⁴）的来源是什么？为何其未在热导率中体现？
- RQ3YbMgGaO4中的磁激发在磁场下如何行为？这对基态本质有何启示？
- RQ4无序或散射机制是否可能使自旋子局域化，尽管其具有无能隙特性，从而解释磁性热导率的缺失？
- RQ5所观测到的热输运性质在多大程度上限制了所提出的U(1) QSL和自旋子费米面模型的有效性？
主要发现
- 在0.1 K以下观察到具有幂律温度依赖关系的大磁性比热（Cₘ ∼ T⁰.⁷⁴），表明存在无能隙磁激发。
- 尽管磁性比热较大，在零磁场下未检测到磁激发对热导率的显著贡献。
- 零磁场下的热导率主要由声子主导，且磁激发的散射作用降低了其数值。
- 在磁场H ≥ 6 T时，比热表现出指数温度依赖关系，与完全极化态及自旋波能隙一致。
- 估算的自旋子平均自由程仅为8.6 Å，约为自旋间距的2.5倍，表明尽管具有无能隙特性，仍存在强烈局域化。
- 大Cₘ与可忽略的κₘ的组合强烈约束了理论模型，表明YbMgGaO4中的自旋子高度局域化，可能源于三角双锥中Mg²⁺-Ga³⁺位点无序。
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