[论文解读] Field-induced quantum spin disordered state in spin-1/2 honeycomb magnet Na2Co2TeO6 with small Kitaev interaction

Gaoting Lin, Jaehong Jeong+25 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2020

Advanced Condensed Matter Physics被引用 4

一句话总结

本研究调查了基于3d的蜂窝形磁体Na2Co2TeO6（NCTO）的磁性，发现在7.5 T至10.5 T的横向磁场下，尽管Kitaev相互作用较弱，仍出现场诱导的量子自旋无序态。该观测结果挑战了现有Kitaev体系的理论框架，并凸显了NCTO作为研究弱Kitaev耦合材料中量子自旋液体的独异平台的重要性。

ABSTRACT

Spin-orbit coupled honeycomb magnets with the Kitaev interaction have caught lots of attention since they host exotic physical properties, including the long-sought quantum spin-liquid (QSL) state. So far, the most studied Kitaev systems are 4d/5d-based honeycomb magnets. Meanwhile, recent theoretical studies predicted that 3d-based honeycomb magnets, including Na2Co2TeO6 (NCTO), could also be a potential Kitaev system. To explore this possibility, we studied the magnetic phase diagram and spin-wave excitations of NCTO. While a relatively small K interaction is obtained in NCTO, it is surprising to observe a field-induced spin disordered state within applied magnetic field of 7.5 T < B (perpendicular to b-axis) < 10.5 T. Therefore, NCTO is a unique example to exhibit field-induced disordered state on effective spin-1/2 honeycomb lattice but with small K interaction, which does not fit to existing theoretical frame and calls for future studies.

研究动机与目标

• 探索候选Kitaev自旋液体行为的3d蜂窝形磁体Na2Co2TeO6（NCTO）的磁相图与自旋波激发。
• 确定尽管Kitaev相互作用较弱，NCTO是否表现出场诱导的量子自旋无序态。
• 评估所观测到的自旋无序态是否符合现有Kitaev体系理论模型。
• 明确自旋-轨道耦合与磁各向异性在稳定3d基蜂窝形磁体中奇异量子态方面的作用。

提出的方法

• 通过测量磁化率与比热，探测外加磁场下Na2Co2TeO6的磁相变。
• 利用非弹性中子散射测量自旋波激发，识别无能隙或有能隙模式的存在。
• 分析横向磁场（B垂直于b轴）下的磁响应，以探测量子自旋液体行为的特征。
• 将实验数据与包含分数化激发的Kitaev自旋液体理论模型进行比较。
• 通过场依赖磁化率测量，确定自旋无序出现的磁场范围。
• 通过拟合包含Dzyaloshinskii-Moriya和Heisenberg项的自旋哈密顿量模型，评估Kitaev相互作用的强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管Kitaev相互作用较弱，Na2Co2TeO6在横向磁场下是否表现出场诱导的量子自旋无序态？
• RQ2 在外部磁场作用下，NCTO的磁响应如何偏离传统磁有序态？
• RQ3 所观测到的自旋无序态是否与3d蜂窝形体系中Kitaev自旋液体的理论预测一致？
• RQ4 自旋-轨道耦合与磁各向异性在稳定NCTO中场诱导无序相方面起何种作用？
• RQ5 NCTO中微弱的Kitaev相互作用能否支持涌现的量子自旋液体行为？

主要发现

• 在7.5 T至10.5 T的横向磁场下，Na2Co2TeO6中观测到场诱导的量子自旋无序态。
• 尽管Kitaev相互作用相对微弱，系统仍表现出自旋无序行为，表明其偏离标准Kitaev自旋液体模型。
• 该磁场范围内长程磁序的缺失表明量子涨落抑制了磁序的形成。
• 所观测到的自旋无序态无法被现有Kitaev体系理论框架所容纳，表明需要新的理论描述。
• 研究结果确立了NCTO作为具有弱Kitaev耦合的3d基蜂窝形磁体中实现场诱导量子自旋无序态的独特实例。
• 研究结果表明，即使Kitaev相互作用微弱，3d基蜂窝形磁体也可能存在奇异量子相，从而扩展了寻找量子自旋液体的探索范围。