[论文解读] Oscillations of the thermal conductivity in the spin-liquid state of α-RuCl₃

Peter Czajka, Tong Gao+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2021

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 37被引用 186

一句话总结

本研究在高磁场（7.3–11 T）下，于量子自旋液体（QSL）相的α-RuCl3中观测到热导率的大幅值量子振荡，尽管该材料为带隙为1.9 eV的绝缘体。振荡在1/H下具有周期性，表现出强烈的磁场与温度依赖性，且为QSL态的本征性质，暗示可能存在自旋子费米面，其周期由面内磁场分量Ha决定。

ABSTRACT

In the class of materials called spin liquids a magnetically ordered state cannot be attained even at millikelvin temperatures because of conflicting constraints on each spin; for example, from geometric or exchange frustration. The resulting quantum spin-liquid state is currently of intense interest because it exhibits unusual excitations as well as wave-function entanglement. The layered insulator α-RuCl₃ orders as a zigzag antiferromagnet at low temperature in zero magnetic field. The zigzag order is destroyed when a magnetic field is applied parallel to the zigzag axis. At moderate magnetic field strength, there is growing evidence that a quantum spin-liquid state exists. Here we report the observation of oscillations in its thermal conductivity in that field range. The oscillations, whose amplitude is very large within this field range and strongly suppressed on either side, are periodic. This is analogous to quantum oscillations in metals, even though α-RuCl₃ is an excellent insulator with a large gap. As the temperature is raised above 0.5 K, the oscillation amplitude decreases exponentially, anticorrelating with the emergence of an anomalous planar thermal Hall conductivity above approximately 2 K.

研究动机与目标

• 研究高磁场下α-RuCl3量子自旋液体（QSL）态中热输运的性质。
• 确定观测到的热导率振荡是否为本征现象，并与QSL相中的电子激发或拓扑激发相关。
• 探究磁场取向与温度对振荡行为的影响及其与QSL相的关联。
• 排除应变或晶格缺陷等外部因素的影响，确认振荡是QSL态的基本属性。

提出的方法

• 使用稀释制冷机将单晶α-RuCl3样品温度降至0.43 K，测量其纵向热导率（κxx）与热霍尔热导率（κxy）。
• 采用阶梯磁场法校正磁致冷效应，确保κxx测量中磁场扫描的准确性。
• 在a-c平面内进行磁场倾角实验，以分离面内分量（Ha），并检验振荡周期对Ha的依赖性。
• 通过导数分析（dκxx/dB）识别极值点，确认1/H周期性，以区别于H周期性。
• 通过从极值点中点处拟合的平滑背景曲线（κbg）减去，提取振荡振幅（∆κamp）。
• 通过极化态下声子热导率（κph）与晶格无序的相关性，关联振荡振幅与晶格缺陷。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的α-RuCl3热导率振荡是否为量子自旋液体态的本征性质，还是实验条件引起的伪影？
• RQ2 振荡的磁场与温度依赖性如何？其与α-RuCl3相图的关系是什么？
• RQ3 尽管该绝缘体中不存在自由载流子，为何振荡表现出1/H周期性而非H周期性？
• RQ4 面内磁场分量（Ha）如何调控振荡周期？这对底层费米面有何含义？
• RQ5 振荡与在约2 K以上出现的平面热霍尔热导率（κxy）之间存在何种关系？

主要发现

• 在0.43 K时，κxx中的振荡幅度可达总热导率的30–60%，并在QSL相（7.3–11 T）内于9.6 T处出现尖锐峰值。
• 振荡周期严格在1/H下具有周期性，高场区斜率Sf = 41.4 T（H ∥a），低场区斜率Sf = 30.6 T，表明存在非平凡的费米面样行为。
• 将磁场从平面外倾转的实验表明，振荡周期仅依赖于面内分量Ha，证实了振荡机制的面内特性。
• 在11 T以上进入磁场极化态后，振荡突然消失，确认其在能隙、非QSL区域中不存在。
• 振荡振幅与约2 K以上出现的异常平面热霍尔热导率（κxy）呈反相关，暗示两者之间存在竞争或相互作用。
• 样品3的振荡振幅比样品1大6倍，该差异与极化态下通过声子热导率推断出的更高晶格无序性相关。