[论文解读] Robustness of the thermal Hall effect close to half-quantization in a field-induced spin liquid state

J. A. N. Bruin, R. R. Claus+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2021

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 2被引用 8

一句话总结

本研究调查了α-RuCl₃在场诱导自旋液体态中的热霍尔效应，发现在H_C2 ≈ 7 T以上区域，热霍尔电导率呈现稳健的半量子化特征（kXY/T ≈ kHQ/T），尤其在H∥ > 10 T且T < 6.5 K时，支持存在具有涌现马约拉纳边缘模式的拓扑态，同时在约10 T附近发现与纵向热电导率及磁化率异常的复杂关联。

ABSTRACT

Thermal signatures of fractionalized excitations are a fingerprint of quantum spin liquids (QSLs). In the $J_{eff}=1/2$ honeycomb magnet $α$-RuCl$_3$, a QSL state emerges upon applying an in-plane magnetic field $H_{||}$ greater than the critical field $H_{C2} \approx$ 7 T along the a-axis, where the thermal Hall conductivity ($k_{XY}/T$) was reported to take on the half-quantized value $k_{HQ}/T$. This finding was discussed as a signature of an emergent Majorana edge mode predicted for the Kitaev QSL. The $H_{||}$- and $T$-range of the half-quantized signal and its relevance to a Majorana edge mode are, however, still under debate. Here we present a comprehensive study of $k_{XY}/T$ in $α$-RuCl$_3$ with $H_{||}$ up to 13 T and $T$ down to 250 mK, which reveals the presence of an extended region of the phase diagram with $k_{XY}/T \approx k_{HQ}/T$ above $H_{C2}$, in particular across a plateau-like plane for $H_{||}$ &gt; 10 T and $T$ &lt; 6.5 K. From 7 T up to $\sim$10 T, $k_{XY}/T$ is suppressed to zero upon cooling to lowest temperature without any plateau-like behavior and exhibits correlations with complex anomalies in the longitudinal thermal conductivity ($k_{XX}$) and magnetization around 10 T. The results are in support of a topological state with a half-quantized $k_{XY}/T$ and suggest an interplay with crossovers or weak phase transitions beyond $H_{C2}$ in RuCl$_3$.

研究动机与目标

• 研究高平面内磁场下α-RuCl₃中半量子化热霍尔电导率（kXY/T）的稳定性和空间范围。
• 确定观测到的kXY/T ≈ kHQ/T是否为具有涌现马约拉纳边缘模式的拓扑量子自旋液体态的稳健特征。
• 解决关于半量子化信号在场和温度依赖性方面的持续争议，及其与H_C2以上相变或交叉转变的关系。
• 探索在场诱导自旋液体区，kXY/T、纵向热电导率（kXX）与磁化率之间的关联。

提出的方法

• 在宽范围平面内磁场（高达13 T）和低温（低至250 mK）下，测量单晶α-RuCl₃的热霍尔电导率（kXY/T）。
• 同步测量纵向热电导率（kXX）和磁化率，以识别与kXY/T异常相关的交叉关联。
• 绘制α-RuCl₃在H∥–T平面的相图，以识别半量子化kXY/T和平台状行为的区域。
• 分析kXY/T随磁场和温度的演化，以区分拓扑特征与竞争序或交叉转变。
• 将实验测得的kXY/T值与Kitaev QSL的理论半量子化热霍尔电导率kHQ/T = (π²k_B²T)/(3h)进行比较。
• 利用高精度输运与热力学测量，评估在不同磁场和温度区域下，半量子化信号的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在宽范围平面内磁场和低温下，α-RuCl₃中的半量子化热霍尔电导率（kXY/T ≈ kHQ/T）是否具有稳健性？
• RQ2 在10 T以上且低于6.5 K时，观测到的kXY/T平台状行为是否支持具有涌现马约拉纳边缘模式的拓扑自旋液体态的存在？
• RQ3 在约10 T附近，纵向热电导率（kXX）和磁化率的异常如何与kXY/T行为相关联？
• RQ4 在α-RuCl₃中，H_C2 ≈ 7 T以上，场和温度依赖的交叉转变或弱相变的本质是什么？
• RQ5 半量子化kXY/T信号在多大程度上受竞争序或非拓扑效应的影响？

主要发现

• 在H_C2 ≈ 7 T以上区域观察到kXY/T ≈ kHQ/T的扩展区域，尤其在H∥ > 10 T且T < 6.5 K时，表明具有稳健的拓扑行为。
• 在H∥ > 10 T且T < 6.5 K时，识别出kXY/T的平台状区域，表明存在具有半量子化热霍尔响应的稳定拓扑相。
• 在7 T < H∥ < 10 T范围内，kXY/T在冷却至6.5 K以下时降低至零，表明热霍尔信号被抑制且未形成平台。
• 在约10 T附近，kXY/T抑制与kXX及磁化率异常之间存在强烈关联，表明与交叉转变或弱相变存在相互作用。
• 结果支持存在具有涌现马约拉纳边缘模式的拓扑态，与Kitaev量子自旋液体一致，尽管相图中存在复杂的竞争行为。
• 半量子化kXY/T并非狭窄或瞬态特征，而是在场-温度相图的显著区域内具有稳健且可观测的特征。