[论文解读] Spin-orbit-coupled triangular-lattice spin liquid in rare-earth chalcogenides

Jie Ma, Jianshu Li+21 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2020

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 59被引用 17

一句话总结

本研究调查了 NaYbS₂，一种具有 Yb³⁺ 离子完美三角晶格的稀土族硫属化物，其中强自旋-轨道耦合与几何阻挫将磁序抑制至 50 mK。非弹性中子散射揭示了高达 1.0 meV 的宽广、无能隙激发谱，支持其具有狄拉克自旋液体基态，且在有限磁场下观察到向有序反铁磁体的转变，该结果经蒙特卡罗模拟验证。

ABSTRACT

Spin-orbit coupling is an important ingredient in many spin liquid candidate materials, especially among the rare-earth magnets and Kitaev materials. We explore the rare-earth chalcogenides NaYbS$_2$ where the Yb$^{3+}$ ions form a perfect triangular lattice. Unlike its isostructural counterpart YbMgGaO$_4$ and the kagome lattice herbertsmithite, this material does not have any site disorders both in magnetic and non-magnetic sites. We carried out the thermodynamic and inelastic neutron scattering measurements. The magnetic dynamics could be observed with a broad gapless excitation band up to 1.0 meV at 50 mK and 0 T, no static long-range magnetic ordering is detected down to 50 mK. We discuss the possibility of Dirac spin liquid for NaYbS$_2$. We identify the experimental signatures of field-induced transitions from the disordered spin liquid to an ordered antiferromagnet with an excitation gap at finite magnetic fields and discuss this result with our Monte Carlo calculation of the proposed spin model. Our findings could inspire further interests in the spin-orbit-coupled spin liquids and the magnetic ordering transition from them.

研究动机与目标

• 探讨自旋-轨道耦合在稳定稀土三角晶格材料中自旋液体态中的作用。
• 确定 NaYbS₂ 在无杂质结构下，尽管存在强自旋-轨道耦合，是否具有自旋液体基态。
• 识别从自旋液体相场诱导磁有序的实验特征。
• 将实验结果与所提出 NaYbS₂ 自旋模型的蒙特卡罗模拟进行比较。

提出的方法

• 在单晶 NaYbS₂ 上进行热力学与非弹性中子散射测量，温度低至 50 mK，磁场最高达 8 T。
• 分析磁激发谱以识别无能隙模式并评估自旋液体特性。
• 基于包含自旋-轨道耦合与几何阻挫的自旋模型进行蒙特卡罗模拟。
• 将模拟的相图与激发谱与实验数据对比，以验证自旋液体情景。
• 将零磁场下在 50 mK 未检测到静态长程磁序作为自旋液体行为的关键判据。

实验结果

研究问题

• RQ1 NaYbS₂ 是否由于自旋-轨道耦合与几何阻挫而具有自旋液体基态？
• RQ2 NaYbS₂ 中狄拉克自旋液体的实验特征是什么？
• RQ3 施加磁场如何诱导自旋液体向有序反铁磁态的转变？
• RQ4 所提出自旋模型的蒙特卡罗模拟能否再现观测到的中子散射数据？

主要发现

• 在零磁场下，NaYbS₂ 在 50 mK 以下未检测到静态长程磁序，支持其具有自旋液体基态。
• 非弹性中子散射在 50 mK 和 0 T 条件下揭示了一条延伸至 1.0 meV 的宽广、无能隙激发带。
• 观察到场诱导的向有序反铁磁相的转变，伴随在有限磁场下激发谱出现能隙。
• 实验激发谱与 NaYbS₂ 中的狄拉克自旋液体情景一致。
• 所提出自旋模型的蒙特卡罗模拟再现了观测到的场诱导相变与激发能隙的关键特征。