[论文解读] Field-Induced Spin Excitations in the Spin-1/2 Triangular-Lattice Antiferromagnet CsYbSe$_2$

Tao Xie, Jie Xing+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2021

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 52被引用 8

一句话总结

本研究首次对自旋为1/2的三角晶格反铁磁体CsYbSe2开展了原位非弹性中子散射实验，揭示了在零场下自旋激发为无能隙、连续谱特征的自旋激发，而在1/3磁化平台相中则转变为清晰的自旋波模式。实验数据通过大规模密度矩阵重正化组（DMRG）计算得到定量再现，计算采用各向同性海森堡模型，证实自旋动力学主要由近邻反铁磁相互作用主导，并表明CsYbSe2处于量子自旋液体与120°有序相之间的临界区域。

ABSTRACT

A layered triangular lattice with spin-1/2 ions is an ideal platform to explore highly entangled exotic states like quantum spin liquid (QSL). Here, we report a systematic in-field neutron scattering study on a perfect two-dimensional triangular-lattice antiferromagnet, CsYbSe$_2$, a member of the large QSL candidate family rare-earth chalcogenides. The elastic neutron scattering measured down to 70 mK shows that there is a short-range 120$^{\circ}$ magnetic order at zero field. In the field-induced ordered states, the spin-spin correlation lengths along the $c$ axis are relatively short, although the heat capacity results indicate long-range magnetic orders at 3 T $-$ 5 T. The inelastic neutron scattering spectra evolve from highly damped continuum-like excitations at zero field to relatively sharp spin wave modes at the plateau phase. Our extensive large-cluster density-matrix renormalization group calculations with a Heisenberg triangular-lattice nearest-neighbor antiferromagnetic model reproduce the essential features of the experimental spectra, including continuum-like excitations at zero field, series of sharp magnons at the plateau phase as well as two-magnon excitations at high energy. This work presents comprehensive experimental and theoretical overview of the unconventional field-induced spin dynamics in triangular-lattice Heisenberg antiferromagnet and thus provides valuable insight into quantum many-body phenomena.

研究动机与目标

• 研究理想自旋为1/2的三角晶格反铁磁体CsYbSe2在磁场作用下的自旋动力学行为，该体系是量子自旋液体（QSL）行为的候选者。
• 确定零场下观察到的连续谱特征激发是否源于本征的量子自旋液体物理，还是由无序效应引起。
• 在受挫磁体的自旋激发理论模型与实验非弹性中子散射谱之间建立定量联系。
• 阐明在清洁、无无序的体系中，磁场下磁性基态及相变的本质。
• 评估各向同性海森堡模型在描述不同场致相中自旋动力学行为的有效性。

提出的方法

• 在散裂中子源（Spallation Neutron Source）对单晶样品进行了非弹性中子散射（INS）实验，测量了从零场到8 T的自旋激发谱。
• 在70 mK温度下进行的弹性中子散射证实了零场下存在短程120°磁序，尽管长程磁序缺失。
• 在有限尺寸自旋簇上进行了大规模密度矩阵重正化组（DMRG）计算，采用具有近邻反铁磁耦合的各向同性海森堡哈密顿量，模拟自旋激发谱。
• 将理论谱与实验数据直接对比，以验证模型并评估量子涨落与各向异性的作用。
• 利用磁场依赖的比热与中子衍射数据构建B–T相图，并识别出在3–5 T区间出现的场致长程磁序。
• 理论计算包括对自旋波模式、双自旋波激发以及高能区的共振特征的分析，与自旋子连续谱和能隙模式一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 CsYbSe2中零场下的连续谱特征激发是否源于真正的量子自旋液体，还是由无序引起的伪影？
• RQ2 自旋激发如何从零场下的非相干、宽幅连续谱模式演化为外加磁场下的相干自旋波模式？
• RQ3 在三角晶格上，各向同性海森堡模型在多大程度上能定量描述CsYbSe2中观察到的场致自旋动力学？
• RQ4 CsYbSe2的磁性基态本质是什么？其是否处于量子自旋液体与120°有序相之间的量子临界点附近？
• RQ5 观察到的场致自旋波模式及其增强的寿命是否与1/3磁化平台的形成一致？

主要发现

• 在70 mK下进行的弹性中子散射证实了零场下存在短程120°磁序，表明该体系处于量子临界点附近。
• 零场下的非弹性中子散射显示，自旋激发谱在布里渊区K点（1/3, 1/3, 0）处呈现高度阻尼的连续谱特征，能量范围延伸至2.5 meV。
• 在1/3磁化平台相（3–5 T）中，自旋激发演化为锐利、清晰的自旋波模式，且寿命显著增强，表明自旋波具有相干传播特性。
• 采用各向同性海森堡模型的DMRG计算定量再现了实验谱，包括零场下的连续谱、平台相中的锐利自旋波以及高能区的双自旋波激发。
• 实验与理论的高度一致性表明，CsYbSe2中的自旋动力学主要由各向同性近邻反铁磁相互作用主导，各向异性效应可忽略不计。
• 观察到的短程120°磁序与无能隙连续谱共存，表明CsYbSe2位于120°有序相与假定的量子自旋液体相之间的临界区域。