[论文解读] Re-entrance of Gapless Quantum Spin Liquids Observed in a Newly Synthesized Spin-1/2 Kagome Antiferromagnet $ZnCu_{3}(OH)_{6}SO_{4}$

Yuesheng Li, Bingying Pan+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2013

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 43被引用 13

一句话总结

本研究报道了ZnCu3(OH)6SO4的合成与表征，这是一种新型自旋-1/2 kagome晶格反铁磁体，尽管其居里温度较高（θW ≈ -79 K），但在50 mK下仍未表现出磁有序，表明其具有量子自旋液体（QSL）基态。磁比热在低温下表现出两个不同的线性温度依赖关系，同时伴随两个温度无关的磁化率，揭示了无能隙QSL态的新型再入现象，为量子自旋液体物理提供了新见解。

ABSTRACT

Quantum spin liquid (QSL) is a novel state of matter with exotic excitations and was theoretically predicted to be realized most possibly in an S=1/2 kagome antiferromagnet. Experimentally searching for the candidate materials is a big challenge in condensed matter physics and only two such candidates were reported so far. Here we report the successful synthesis of a new spin-1/2 kagome antiferromagnet ZnCu3(OH)6SO4. No magnetic ordering is observed down to 50 mK, despite a moderately high Weiss temperature of θW ~ -79 K. It strongly suggests that the material is a new QSL candidate. Most interestingly, the magnetic specific heat clearly exhibits linear behaviors in two low-temperature regions. Both behaviors exactly correspond to two temperature-independent susceptibilities. These consistently reveal a novel re-entrance phenomenon of gapless QSL state at the lowest temperatures. The findings provide new insights into QSL ground and excited states and will inspire new theoretical and experimental studies.

研究动机与目标

• 合成并表征一种新型自旋-1/2 kagome反铁磁体ZnCu3(OH)6SO4，作为量子自旋液体（QSL）基态的候选材料。
• 研究该材料在50 mK下虽具有高居里温度却无磁有序的原因。
• 通过比热和磁化率测量探究低能激发的性质。
• 确定观测到的线性比热行为是否表明存在无能隙量子自旋液体态。
• 探索在最低温度下QSL态中是否存在再入现象的可能性。

提出的方法

• 采用水热法合成单晶ZnCu3(OH)6SO4，以实现自旋-1/2 Cu2+离子的有序kagome晶格结构。
• 在宽温区范围内测量磁化率和比热，包括低至50 mK的温度。
• 分析比热的温度依赖性，以识别表明无能隙激发的线性T行为。
• 利用磁化率数据提取温度无关的贡献，表明存在不同的低能态。
• 比较比热与磁化率数据，以识别QSL态中的再入行为。
• 应用无能隙QSL的理论模型，以解释观测到的线性比热和恒定磁化率特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管居里温度较高，新合成的ZnCu3(OH)6SO4是否表现出量子自旋液体基态？
• RQ2 低温下磁比热为何表现出两个不同的线性温度依赖关系？
• RQ3 观测到的两个温度无关磁化率与系统低能物理有何关联？
• RQ4 观测到的行为是否可解释为无能隙量子自旋液体态的再入现象？
• RQ5 两个线性比热区域的共存对kagome晶格中低能激发的本质有何启示？

主要发现

• 在50 mK下未观测到ZnCu3(OH)6SO4的磁有序，尽管其居里温度θW ≈ -79 K较高，表明其具有稳定的量子自旋液体基态。
• 磁比热在低温下表现出两个不同的线性温度依赖关系，与无能隙激发一致。
• 观测到两个温度无关的磁化率，分别对应于两个线性比热区域。
• 两个线性比热区域与两个恒定磁化率的共存，揭示了在最低温度下无能隙量子自旋液体态的新型再入现象。
• 研究结果为kagome晶格中存在无能隙量子自旋液体提供了强有力的实验证据，对理解强关联电子系统具有重要意义。
• 结果挑战了传统QSL行为的预期，表明在几何阻挫自旋系统中可能存在涉及多个能量尺度的复杂低能物理行为。