[论文解读] Gapless excitations in the ground state of 1T-TaS$_2$

Amit Ribak, Itai Silber+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2017

Organic and Molecular Conductors Research被引用 7

一句话总结

本研究调查了1T-TaS₂的基态，该材料是一种莫特绝缘体，其莫特转变温度为180 K，并通过比热中的场依赖线性项提供了无能隙激发的证据。尽管在20 mK下表现出强烈的绝缘行为且无磁有序，但比热中的线性项在14 T磁场下降低了3倍，表明存在无能隙自旋子样激发，支持了可能存在量子自旋液体基态。

ABSTRACT

1T-TaS$_2$ is a layered transition metal dichalgeonide with a very rich phase diagram. At T=180K it undergoes a metal to Mott insulator transition. Mott insulators usually display anti-ferromagnetic ordering in the insulating phase but 1T-TaS$_2$ was never shown to order magnetically. In this letter we show that 1T-TaS$_2$ has a large paramagnetic contribution to the magnetic susceptibility but it does not show any sign of magnetic ordering or freezing down to 20mK, as probed by $μ$SR, possibly indicating a quantum spin liquid ground state. Although 1T-TaS$_2$ exhibits a strong resistive behavior both in and out-of plane at low temperatures we find a linear term in the heat capacity suggesting the existence of a Fermi-surface, which has an anomalously strong magnetic field dependence.

研究动机与目标

• 确定1T-TaS₂是否在作为莫特绝缘体的情况下仍具有量子自旋液体（QSL）基态。
• 解决输运行为绝缘与比热中线性项（通常表示费米面）之间的明显矛盾。
• 研究场依赖线性比热项的起源及其对自旋激发的含义。
• 通过μ子自旋松弛（μSR）测量在20 mK下排除磁有序。
• 澄清所观察到的线性比热是否源于残余金属导电性，或源于QSL态中的无能隙自旋子激发。

提出的方法

• 在20 mK下进行μ子自旋松弛（μSR）测量，以探测长程磁序和自旋冻结。
• 测量面内和面外电阻率，以确认在180 K以下的绝缘行为，且具有激活温度依赖性。
• 进行比热测量以提取依赖于磁场的线性项γ(H)。
• 使用结合了Schottky项和线性项的模型拟合比热数据，以分离出γ(H)项。
• 利用在间距为√13a的三角晶格上的紧束缚模型，从γ(0)和场依赖性估算能带宽度。
• 分析磁化率以区分顺磁和居里样响应，发现90–99.5%为温度无关响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 1T-TaS₂在20 mK下是否表现出长程磁序或自旋冻结？
• RQ2 在系统表现出强绝缘行为的前提下，比热中线性项的起源是什么？
• RQ3 为何线性比热系数γ(H)表现出强烈的磁场依赖性？
• RQ4 所观察到的线性项能否由c轴方向的残余金属导电性解释？
• RQ5 该系统是否与具有无能隙自旋子激发的量子自旋液体基态一致？

主要发现

• 通过μSR测量在20 mK下未观察到1T-TaS₂的磁有序或自旋冻结，支持长程磁序的缺失。
• 比热表现出依赖于磁场的线性项γ(H)，在14 T磁场下降低了3倍，表明其具有强烈的场依赖性。
• γ(0)值对应于约6个电子质量的有效质量，表明在二维紧束缚模型中能带宽度约为160 meV。
• γ(H)的强场依赖性与常规费米面或小能带宽度的c轴金属导电性预期相矛盾。
• 比热中的线性项与无序绝缘体不一致，因为此类体系通常不会表现出场依赖的γ。
• 数据最符合量子自旋液体中无能隙自旋子激发的解释，尽管局域化效应可能源于非均匀性，可解释零场下热导率的缺失。