[论文解读] Phase Diagram of $α$-RuCl$_3$ in an in-plane Magnetic Field

Jennifer Sears, Yang Zhao+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2017

Advanced Condensed Matter Physics被引用 5

一句话总结

本研究通过中子衍射、磁化率和比热测量，绘制了α-RuCl₃在面内磁场下的磁相图。研究识别出在μ₀Hc = 8 T处存在一个场驱动的量子相变，此时之字形磁序消失，并出现具有能隙的磁激发相，且Tc与能隙Δ均随临界场趋近而呈现幂律标度，与横向场伊辛模型的描述一致。

ABSTRACT

The low-temperature magnetic phases in the layered honeycomb lattice material $α$-RuCl$_3$ have been studied as a function of in-plane magnetic field. In zero field this material orders magnetically below 7 K with so-called zigzag order within the honeycomb planes. Neutron diffraction data show that a relatively small applied field of 2 T is sufficient to suppress the population of the magnetic domain in which the zigzag chains run along the field direction. We found that the intensity of the magnetic peaks due to zigzag order is continuously suppressed with increasing field until their disappearance at $μ_o$H$_c$=8 T. At still higher fields (above 8 T) the zigzag order is destroyed, while bulk magnetization and heat capacity measurements suggest that the material enters a state with gapped magnetic excitations. We discuss the magnetic phase diagram obtained in our study in the context of a quantum phase transition.

研究动机与目标

• 通过中子衍射和宏观测量手段，确定α-RuCl₃在面内磁场下的磁相图。
• 研究面内磁场对之字形磁序的抑制作用，以及高场相中能隙激发的出现。
• 评估观测到的量子相变是否与诸如横向场伊辛模型等理论模型相符。
• 表征磁有序温度Tc和能量间隙Δ随面内磁场的变化行为。
• 解决先前报道中关于高场相本质的争议，特别是磁能隙是否存在。

提出的方法

• 利用中子衍射测量，在低温（2–6 K）下追踪与之字形序相关的磁性布拉格峰强度随面内磁场的变化。
• 对相同样品进行磁化率和比热测量，以探测宏观磁响应，并提取高场相中的能量间隙Δ。
• 通过将磁性峰强度的抑制行为拟合至幂律(H − Hc)^2β*，确定临界场μ₀Hc，得到β* = 0.28。
• 通过临界指数β*拟合磁序参数的温度依赖性，以评估临界行为。
• 从低温比热数据中提取能量间隙Δ，并将其拟合为Δ ∼ (H − Hc*)^zν，其中zν ≈ 1。
• 将实验相边界与横向场伊辛模型（TFIM）的平均场相图进行比较，以评估定性一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 面内磁场如何抑制α-RuCl₃中的之字形磁序，长程有序在何种磁场下完全消失？
• RQ2 临界场以上的高场相的性质是什么？其是否如NMR所提示的那样表现出能隙磁激发？
• RQ3 在临界场附近，Tc（Hc以下）与Δ（Hc以上）的能量尺度是否以幂律方式趋近临界场，表明存在量子临界性？
• RQ4 观测到的相图在多大程度上与横向场伊辛模型的相图相似？
• RQ5 为何热导率测量显示无能隙激发，而NMR与比热数据却表明存在一个能隙相？

主要发现

• α-RuCl₃中的之字形磁序随面内磁场增强而连续抑制，在临界场μ₀Hc = 8 T处完全消失。
• 中子衍射显示，在2 T时，一个之字形自旋态的磁性峰强度完全消失，表明磁场诱导了自旋态的重新取向。
• 磁有序温度Tc(H)的标度行为为Tc(H) ∼ (Hc − H)^0.18，与量子临界点附近的幂律标度一致。
• 高场相中的能量间隙Δ满足Δ ∼ (H − Hc*)^zν，且zν ≈ 1，Δ在Hc* ≈ 6.5 T处消失，略低于临界场Hc = 8 T。
• 从序参数拟合中提取的临界指数β* = 0.28，接近二维伊辛模型的理论值0.32，支持量子临界行为。
• 相图与临界标度行为与横向场伊辛模型的平均场相图在定性上高度一致，表明该模型能够捕捉α-RuCl₃中量子相变的关键特征。