[论文解读] Kitaev quantum spin liquid - concept and materialization

H. Takagi, T. Takayama+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2019

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 100被引用 10

一句话总结

本综述综合了在关联铱和钌基材料中实现基塔耶夫量子自旋液体（QSL）的理论框架与实验进展。结果表明，蜂窝结构中的自旋-轨道纠缠 $J_{\rm eff} = 1/2$ 有效自旋在 $\alpha$-RuCl$_3$ 和 H$_3$LiIr$_2$O$_6$ 等材料中可实现分数化马约拉纳费米子，且在磁场下表现出QSL行为及异常热输运特性，标志着迈向拓扑量子物质的关键一步。

ABSTRACT

A decade ago, Alexei Kitaev proposed an exactly solvable $S$ = 1/2 model on a two-dimensional honeycomb lattice, where the spins fractionalize into Majorana fermions and form a topological quantum spin liquid (QSL) in the ground state. It was soon recognized that a family of complex iridium oxides, as well as ruthenium chloride, with honeycomb structure are magnetic insulators and accommodate essential ingredients of the Kitaev model, due to the interplay of electron correlation and spin-orbit coupling. This initiated a race to materialize the Kitaev QSL and to capture the signature of Majorana fermions. In this review, we provide a wide perspective of this rapidly growing field, including theory, materials and experiment. We first summarize the theoretical background of the Kitaev QSL ground state and its materialization using spin-orbital-entangled $J_{ m eff}$ = 1/2 moments. This is followed by an overview of candidate materials and their magnetic properties, including Na$_2$IrO$_3$, $α$, $β$, $γ$-Li$_2$IrO$_3$,$α$-RuCl$_3$ and H$_3$LiIr$_2$O$_6$. Finally, we review the latest exciting progress in the search for the Kitaev QSL. In particular, H$_3$LiIr$_2$O$_6$ and $α$-RuCl$_3$ in applied magnetic field show signatures of the QSL state, and $α$-RuCl$_3$ has unusual magnetic excitations and thermal transport properties that are consistent with spin fractionalization.

研究动机与目标

• 提供基塔耶夫量子自旋液体（QSL）基态理论基础的全面概述。
• 识别并分析候选材料（如 Na$_2$IrO$_3$、$\alpha$-RuCl$_3$ 和 H$_3$LiIr$_2$O$_6$）中实现基塔耶夫QSL所必需的关键要素。
• 回顾基塔耶夫QSL的实验特征，包括自旋分数化与拓扑序，尤其关注在磁场下的 $\alpha$-RuCl$_3$ 中的表现。
• 评估自旋-轨道耦合与电子关联在稳定对基塔耶夫模型至关重要的 $J_{\rm eff} = 1/2$ 有效自旋中的作用。
• 突出近期在热输运与磁激发谱方面取得的进展，这些进展与马约拉纳费米子行为一致。

提出的方法

• 对蜂窝晶格上具有自旋-1/2自由度的精确可解基塔耶夫模型进行理论分析。
• 利用自旋-轨道纠缠理论识别5d过渡金属氧化物中 $J_{\rm eff} = 1/2$ 有效自旋。
• 通过第一性原理计算与对称性分析，确定候选材料中基塔耶夫型自旋交换相互作用的相关性。
• 比较多种铱和钌化合物的磁性特性（如自旋液体行为、各向异性交换及场诱导相变）。
• 对中子散射、比热、热导率及高磁场下磁化率的实验数据进行解释。
• 应用拓扑场论将观测到的分数化激发与QSL相中的马约拉纳费米子联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些材料表现出实现基塔耶夫QSL所必需的自旋-轨道耦合 $J_{\rm eff} = 1/2$ 有效自旋？
• RQ2 哪些实验特征可证实存在具有分数化马约拉纳费米子的量子自旋液体？
• RQ3 磁场与晶格结构在 $\alpha$-RuCl$_3$ 等候选材料中如何影响基塔耶夫QSL的稳定性？
• RQ4 $\alpha$-RuCl$_3$ 与 H$_3$LiIr$_2$O$_6$ 中的热输运与磁激发谱在多大程度上支持自旋分数化？
• RQ5 电子关联与轨道杂化在稳定基塔耶夫自旋液体相中的作用是什么？

主要发现

• H$_3$LiIr$_2$O$_6$ 展现出场调控的量子自旋液体态的特征，包括无能隙自任何子激发的证据。
• $\alpha$-RuCl$_3$ 在高磁场下表现出与分数化马约拉纳费米子一致的异常磁激发行为。
• $\alpha$-RuCl$_3$ 的热导率测量在低温下呈现与温度线性依赖关系，表明存在无能隙的分数化准粒子。
• $\alpha$-RuCl$_3$ 中的自旋液体行为由强自旋-轨道耦合与键各向异性的基塔耶夫交换相互作用稳定。
• Na$_2$IrO$_3$ 与 $\beta$-Li$_2$IrO$_3$ 展现出类似自旋液体的行为，但因低温下发生磁有序而前景较暗。
• 理论建模证实，5d 铱酸盐中的 $J_{\rm eff} = 1/2$ 有效自旋是实现基塔耶夫QSL的关键，自旋-轨道纠缠可抑制磁有序。