[论文解读] Unconventional Magnetic Oscillations in Kagome Mott Insulators

Guoxin Zheng, Yuan Zhu+13 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 4

一句话总结

本研究报道了在kagome Mott绝缘体YCu₃(OH)₆Br₂中出现的非典型磁振荡行为，该体系在强Mott绝缘体背景下展现出1/9磁化平台以及强烈的类量子振荡磁致扭矩响应。这些振荡以磁场H为周期，而非1/H，源于与涌现规范场耦合的狄拉克自旋子，为量子自旋液体态中分数化激发提供了直接证据。

ABSTRACT

In metals, electrons in a magnetic field undergo cyclotron motion, leading to oscillations in physical properties called quantum oscillations. This phenomenon has never been seen in a robust insulator because there are no mobile electrons. We report the first exception to this rule. We study a Mott insulator on a kagome lattice which does not order magnetically down to milli-Kelvin temperatures despite antiferromagnetic interactions. We observe a plateau at magnetization equal to 1/9 Bohr magneton per magnetic ion, accompanied by oscillations in the magnetic torque, reminiscent of quantum oscillations in metals. The temperature dependence obeys Fermi distribution. These phenomena are consistent with a quantum spin liquid state whose excitations are fermionic spinons with a Dirac-like spectrum coupled to an emergent gauge field.

研究动机与目标

• 在强磁场下研究kagome Mott绝缘体YCu₃(OH)₆Br₂的磁响应行为，该体系在毫开尔文温度下仍无长程磁序。
• 确定观测到的1/9磁化平台及其相关振荡是否可由具有分数化自旋子激发的量子自旋液体态来解释。
• 探究宽能隙绝缘体中非典型振荡的起源，其行为违背金属中常见的量子振荡规律。
• 通过振荡周期的磁场与角度依赖性，确立涌现规范场的存在，以检验狄拉克自旋子物理的预测。

提出的方法

• 在单晶YCu₃(OH)₆Br₂上开展脉冲磁场测量（最高达73 T），采用补偿线圈提取磁力仪技术测量磁化强度与微分磁化率（dM/dH）。
• 在独立的单晶上利用悬臂磁力仪在直流与混合磁体（最高达42 T）下进行测量，以确认磁化强度与振荡特征在不同磁场取向下的表现。
• 通过旋转磁场相对于晶体c轴的方向，分析振荡周期的方位依赖性，揭示振荡的轨道特性。
• 采用包含自旋子服从狄拉克谱并耦合至涌现规范场的子系统平均场理论模型，从Landau能级量化推导振荡频率。
• 采用LK公式处理量子振荡，其中修正的回旋频率为ω_c = eαB_c/m_h，以拟合振荡行为并提取有效质量和费米速度。
• 利用狄拉克点附近的磁化率数据估算狄拉克费米子速度v_D ≈ 5140 m/s，该结果与振荡周期分析结果一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在无电子能带色散的Mott绝缘体中观测到非典型量子振荡？其起源为何？
• RQ2 观测到的1/9磁化平台与磁致扭矩中的振荡是否表明存在具有狄拉克自旋子的量子自旋液体？
• RQ3 为何振荡表现出以磁场H为周期的特性，而非1/H？这对其潜在费米面结构有何启示？
• RQ4 振荡周期的方位依赖性如何揭示其轨道本质，并支持自旋子与涌现规范场耦合的机制？
• RQ5 自旋子的有效费米速度是多少？其独立实验与理论估算结果是否一致？

主要发现

• 在高磁场下（H ∥ c轴）观测到1/9磁化平台，当磁场旋转至ab面方向时，平台起始场向更高磁场移动。
• 在1/9平台附近检测到强烈的磁致扭矩振荡，其周期近似与磁场H呈线性关系，而非1/H，表明存在非传统的量子振荡行为。
• 振荡周期表现出强烈的方位依赖性，与轨道起源一致，支持自旋子与涌现规范场耦合的存在。
• 通过振荡周期与磁化率数据独立估算，自旋子的有效费米速度为v_D ≈ 5140 m/s，两种方法结果一致。
• 在狄拉克点附近的磁化率表现出线性场依赖性（dM/dH ∝ |B - B₀|），证实1/9平台对应化学势穿过狄拉克节点。
• 估算出的涌现规范场与外加磁场之比α接近于1，表明该体系中自旋子与涌现规范场之间存在强耦合。