[论文解读] The planar thermal Hall conductivity in the Kitaev magnet α-RuCl3

Peter A. Czajka, Tong Gao+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2022

Advanced Condensed Matter Physics被引用 4

一句话总结

本研究报告了在面内磁场下，Kitaev自旋液体候选材料 $\alpha$-RuCl$_3$ 中的平面热霍尔电导率 ($\kappa_{xy}$)，揭示了一种强烈依赖温度的响应，其主导机制为玻色子边缘模式激发。数据排除了半量子化热霍尔电导率的可能性，反而显示陈数 $\sim$1 以及在高场下的能隙 $\omega_1 \sim$1 meV，与拓扑自旋波和尖锐的电子自旋共振模式一致，挑战了此前关于马约拉纳费米子特征的主张。

ABSTRACT

We report detailed measurements of the Onsager-like planar thermal Hall conductivity $κ_{xy}$ in $α$-RuCl$_3$, a spin-liquid candidate of topical interest. With the thermal current ${\bf J}_{ m Q}$ and magnetic field $\bf B\parallel a$ (zigzag axis), the observed $κ_{xy}/T$ varies strongly with temperature $T$ (1-10 K). The results are well-described by bosonic edge excitations which evolve to topological magnons at large $B$. Fits to $κ_{xy}/T$ yield a Chern number $\sim 1$ and a band energy $ω_1\sim$1 meV, in agreement with sharp modes seen in electron spin-resonance experiments. The bosonic character is incompatible with half-quantization of $κ_{xy}/T$.

研究动机与目标

• 解决关于 $\alpha$-RuCl$_3$ 中半量子化热霍尔电导率的相互矛盾的报告。
• 确定Kitaev自旋液体候选材料中平面热霍尔响应的微观起源。
• 确定观测到的 $\kappa_{xy}/T$ 是否与费米子马约拉纳边缘模式一致，或与玻色子边缘激发一致。
• 通过陈数和边缘模式的能量尺度量化自旋激发的拓扑特性。

提出的方法

• 在 $T = 0.5$–10.5 K 和 $B = -13$ 到 13 T 的范围内，沿 $a$-轴（之字形方向）施加磁场，测量热霍尔电阻率 $\lambda_{yx}$ 和纵向热电导率 $\kappa_{xx}$。
• 采用分步探针协议，在每个磁场步长后延迟 150 秒，以抑制磁致冷和涡流瞬态效应。
• 对测温数据（$T_{\rm A}, T_{\rm B}, T_{\rm C}$）进行磁场反称化处理，以分离出 $\Delta T_{\rm H}^{\rm asym}$，其与 $\lambda_{yx}$ 成正比。
• 通过 $\lambda_{ij}$ 的矩阵求逆，从 $\lambda_{yx}$ 和 $\lambda_{xx}$ 提取 $\kappa_{xy}/T$。
• 将 $\kappa_{xy}/T$ 拟合至两个能量为 $\omega_1$ 和 $\omega_2$ 的玻色子边缘模式模型，使用玻色-爱因斯坦分布。
• 定义 $\mathcal{C}_{\rm obs} = (\mathcal{K}_{\rm H}/T) / [c^{(1)}_2(\omega_1,T) - c^{(2)}_2(\omega_2,T)]$ 以提取有效陈数，并与整数值进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $\alpha$-RuCl$_3$ 中，平面热霍尔电导率是否与来自马约拉纳激发的半量子化费米子边缘模式一致？
• RQ2 在Kitaev候选材料中，观测到的 $\kappa_{xy}/T$ 响应的微观起源是什么？
• RQ3 在高磁场下，热霍尔响应是否演化为拓扑自旋波态？
• RQ4 观测到的边缘模式能量和陈数与电子自旋共振和中子散射结果相比如何？
• RQ5 为何 $\kappa_{xy}/T$ 在低温下强烈抑制，这对其激发性质有何含义？

主要发现

• 平面热霍尔电导率 $\kappa_{xy}/T$ 未显示半量子化的证据，排除了费米子马约拉纳起源的可能性。
• 数据可由两个能量分别为 $\omega_1 \sim$1 meV 和 $\omega_2 \sim$50 K 的玻色子边缘模式良好描述，表明其具有与半量子化不相容的玻色子特性。
• 有效陈数 $\mathcal{C}_{\rm obs}$ 在磁场高于 9 T 时达到约 1 的平台，表明存在拓扑自旋波相。
• 从拟合中提取的能隙 $\omega_1$ 与高场下尖锐的电子自旋共振模式 $C$ 非常吻合，并与接近 $B_c \approx$7.3 T 时简并的 $C$ 和 $F$ 模式一致。
• $\kappa_{xy}/T$ 的强温度依赖性源于边缘模式的玻色-爱因斯坦统计，而非体相自旋能隙。
• 在低场（$B < 7$ T）时，$\kappa_{xy}$ 除在约 6.3 T 处出现一个微小负谷值外基本消失，表明贝里曲率为弱，行为非拓扑。