[论文解读] Neutron tomography of magnetic Majorana fermions in a proximate quantum spin liquid

Arnab Banerjee, Jiaqiang Yan+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2016

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 53被引用 258

一句话总结

本文对高质量的 α-RuCl3 进行四维中子层析成像，以揭示近似 Kitaev 量子自旋液体中的磁性 Majorana 费米子，强调靠近布里渊区中心的一个温度稳定的散射特征，并将其解释为 Majorana 激发。

ABSTRACT

Quantum matter provides an effective vacuum out of which arise emergent particles not corresponding to any experimentally detected elementary particle. Topological quantum materials in particular have become a focus of intense research in part because of the remarkable possibility to realize Majorana fermions, with their potential for new, decoherence-free quantum computing architectures. In this paper we undertake a study on high-quality single crystal of $α-RuCl_3$ which has been identified as a material realizing a proximate Kitaev state, a topological quantum state with magnetic Majorana fermions. Four-dimensional tomographic reconstruction of dynamical correlations measured using neutrons is uniquely powerful for probing such magnetic states. We discover unusual signals, including an unprecedented column of scattering over a large energy interval around the Brillouin zone center which is remarkably stable with temperature. This is straightforwardly accounted for in terms of the Majorana excitations present in Kitaev's topological quantum spin liquid. Other, more delicate, features in the scattering can be transparently associated with perturbations to an ideal model. This opens a window on emergent magnetic Majorana fermions in correlated materials.

研究动机与目标

• 推动在 α-RuCl3 内实现近似 Kitaev 状态中的 Majorana 费米子。
• 演示由中子测量的动力学磁相关性的四维层析重建。
• 识别并以 Majorana 激发及对 Kitaev 模型的扰动来解释具有特征性的散射信号。

提出的方法

• 对单晶 α-RuCl3 进行四维（能量和动量）中子散射数据的层析重建。
• 分析动力学自旋相关性以探测磁性 Majorana 费米子信号。
• 将观测到的散射特征与 Kitaev 类拓扑量子自旋液体中 Majorana 激发的预测进行比较。
• 评估影响散射信号的理想 Kitaev 模型扰动。

实验结果

研究问题

• RQ1 中子层析是否能够揭示近似 Kitaev 自旋液体中的磁性 Majorana 费米子信号？
• RQ2 在 α-RuCl3 中，与 Majorana 激发相关的特征性动力学散射特征是什么，它们如何随温度变化？
• RQ3 Kitaev 模型的扰动如何在中子散射信号中体现？

主要发现

• 在靠近布里渊区中心的较大能量区间内观察到一列散射，并且温度稳定性出人意料地好。
• 观测到的散射列可以轻易地用 Kitaev 的拓扑量子自旋液体中的 Majorana 激发来解释。
• 其他更为微妙的散射特征可解释为对理想 Kitaev 模型的扰动。
• 结果为在相关材料中出现的磁性 Majorana 费米子的出现提供证据。