[论文解读] Evidence of Dirac Quantum Spin Liquid in YbZn2GaO5

Rabindranath Bag, Sijie Xu+8 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2023

Advanced Condensed Matter Physics被引用 7

一句话总结

论文提出热力学与中子散射在 YbZn2GaO5 上证实了一个在三角晶格上的 U(1) 迪拉克量子自旋液体，基态为自旋-1/2，具有迪拉克样自旋子激发。结果与 J1-J2 XXZ 模型一致，显示 T^2 比热以及 Γ 点有能隙而 M/K 点谱带无能隙。

ABSTRACT

The emergence of a quantum spin liquid (QSL), a state of matter that can result when electron spins are highly correlated but do not become ordered, has been the subject of a considerable body of research in condensed matter physics. Spin liquid states have been proposed as hosts for high-temperature superconductivity and can host topological properties with potential applications in quantum information science. The excitations of most quantum spin liquids are not conventional spin waves but rather quasiparticles known as spinons, whose existence is well established experimentally only in one-dimensional systems; the unambiguous experimental realization of QSL behavior in higher dimensions remains challenging. Here, we investigate the novel compound YbZn2GaO5, which hosts an ideal triangular lattice of effective spin-1/2 moments with no detectable inherent chemical disorder. Thermodynamic and inelastic neutron scattering measurements performed on high-quality single crystal samples of YbZn2GaO5 exclude the possibility of long-range magnetic ordering down to 0.06 K, demonstrate a quadratic power law for the specific heat and reveal a continuum of magnetic excitations in parts of the Brillouin zone. Both low-temperature thermodynamics and inelastic neutron scattering spectra suggest that YbZn2GaO5 is a U(1) Dirac QSL with spinon excitations concentrated at certain points in the Brillouin zone. We advanced these results by performing additional specific heat measurements under finite fields, further confirming the theoretical expectations for a Dirac QSL on the triangular lattice of YbZn2GaO5.

研究动机与目标

• 在没有化学杂质的二维三角晶格中推动寻找本征量子自旋液体态的研究动力。
• 通过热力学与中子散射来表征 YbZn2GaO5 的基态。
• 区分该体系中的迪拉克自旋液体与自旋子费米表面情形。
• 评估 J1-J2 XXZ 模型如何捕捉观测到的谱线与热力学行为。

提出的方法

• 合成高质量的 YbZn2GaO5 单晶并验证结构纯净性以排除无序影响。
• 在极低温下测量比热并提取磁性贡献，显示 T^2 依赖。
• 对粉末和单晶进行非弹性中子散射，以绘制低能激发并在高对称点识别能隙。
• 通过 INS 拟合晶场能级，确认地态为近似克拉默双重态的有效自旋-1/2。
• 使用大尺度矩阵积态方法（DMRG/TDVP）计算 J1-J2 XXZ 模型的动态结构因子 S(q,ω)，并与 INS 数据比较。
• 使用 J2/J1 约等于 0.12 与 Δ 约等于 1.35，以再现 Γ 与 M/K 点谱的观测以及相应的能隙行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 YbZn2GaO5 是否在测量温度下仍无长期磁序？
• RQ2 低能激发谱是否符合 U(1) 迪拉克量子自旋液体而非自旋子费米表面态或无序诱导效应？
• RQ3 用小的 J2/J1 的 J1-J2 XXZ 模型是否可再现 INS 谱以及 Γ 点的能隙，同时在 M/K 点显示无能隙激发？
• RQ4 比热是否遵循 T^2 标度，指示三角晶格量子自旋液体中的迪拉克自旋子？

主要发现

• YbZn2GaO5 的磁序在 0.06 K 以下不存在。
• 低温下磁比热呈 T^2 的标度，支持 U(1) 迪拉克量子自旋液体的解释。
• INS 显示 Γ 点附近有能隙，而在 M/K 处呈现无能隙的连续谱，与迪拉克自旋子在这些点的一致性相符。
• CEF 拟合确认 Yb3+ 的地态为克拉默双重态，有效自旋-1/2，第一激发态高于 441 K。
• 来自 J1-J2 XXZ 模型（J2/J1=0.12，Δ=1.35）的理论 S(q,ω) 与相关能量区间的观测谱一致。
• 一个无杂质的三角晶格 Yb 基化合物展现的特征与 U(1) 迪拉克量子自旋液体相符，而非自旋子费米表面行为。