[论文解读] Unusual heat transport of the Kitaev material Na$_2$Co$_2$TeO$_6$: putative quantum spin liquid and low-energy spin excitations

Xiaochen Hong, Matthias Gillig+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2021

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 41被引用 5

一句话总结

本研究调查了Kitaev候选材料Na₂Co₂TeO₆中的热导率，发现当面内磁场超过10 T时，热输运显著增强，且κ(T)呈现双峰结构，表明磁激发的可调性导致声子散射强烈增强。数据表明存在一种潜在的量子自旋液体相，其自旋涨落能量低至~2 meV，尤其在沿之字形方向的宽场范围（10–11.5 T）内，支持Na₂Co₂TeO₆作为具有涌现自旋液体行为的近邻Kitaev材料。

ABSTRACT

We studied the field dependent thermal conductivity ($κ$) of Na$_2$Co$_2$TeO$_6$, a compound considered as the manifestation of the Kitaev model based on the high-spin $d^7$ Co$^{2+}$ ions. We found that in-plane magnetic fields beyond a critical value $B_c \approx$~10 T are able to drastically enhance $κ$ at low temperatures, resulting in a double-peak structure of $κ(T)$ that closely resembles the behavior of $α$-RuCl$_3$. This result suggests that heat transport in Na$_2$Co$_2$TeO$_6$ is primarily phononic, and it is strongly affected by scattering from magnetic excitations that are highly tunable by external fields. Interestingly, for magnetic fields $B // a$ (i.e., along the zigzag direction of the Co-Co bonds), there is an extended field range which separates the long-range magnetic order for $B\leq B_c\approx10$ T and the partially spin-polarized gapped high-field phase for $B\gtrsim 12$ T. The low-energy phonon scattering is particularly strong in this field range, consistent with the notion that the system becomes a quantum spin liquid with prominent spin fluctuations down to energies of no more than 2 meV.

研究动机与目标

• 研究基于高自旋d⁷ Co²⁺离子的Kitaev候选材料Na₂Co₂TeO₆的磁场依赖热导率。
• 确定磁场调控是否能诱导出类似α-RuCl₃中的量子自旋液体行为。
• 探究低能自旋激发的性质及其在无长程磁序条件下对声子热输运的影响。
• 将Na₂Co₂TeO₆的行为与α-RuCl₃进行比较，以识别近邻Kitaev材料的普遍特征。

提出的方法

• 在单晶Na₂Co₂TeO₆中测量从6 K到室温的热导率κ(T)，施加面内磁场最高达15 T。
• 沿之字形（a轴）和面内（a*轴）方向施加磁场，以探测各向异性的磁场响应。
• 分析κ(T)和κ(B)的温度与磁场依赖性，以识别相变与激发能隙。
• 使用Callaway模型，从κ(T)曲线的拐点T_min提取磁激发的能量尺度。
• 将提取的自旋能隙大小（ħω₀/kB）与α-RuCl₃中的结果进行比较，以评估Kitaev-Heisenberg物理中的相似性。
• 通过在6 K以下未观测到T_min，估算零场下自旋激发能量的下限。

实验结果

研究问题

• RQ1 Na₂Co₂TeO₆的热导率是否表现出场可调行为，表明存在量子自旋液体物理？
• RQ2 在磁有序相与高场相中，Na₂Co₂TeO₆的低能自旋激发能量尺度是多少？
• RQ3 能否基于热输运特征在Na₂Co₂TeO₆中识别出潜在的量子自旋液体相？
• RQ4 磁场方向（沿a轴与a*轴）如何影响自旋液体样行为与激发能隙的出现？
• RQ5 Na₂Co₂TeO₆中观测到的热输运特征在多大程度上与α-RuCl₃相似，提示普遍存在的Kitaev物理？

主要发现

• 当面内磁场超过Bc ≈ 10 T时，低温下热导率增加逾十倍，表明磁激发对声子散射的强烈抑制。
• 高场下的κ(T)曲线呈现双峰结构，特征为声子被能隙磁激发散射，且峰值位置T_min随磁场增加而向更高温度移动。
• 对于B∥a，长程有序相与高场部分极化相之间存在宽广的场窗（10–11.5 T），表明可能存在U(1)量子自旋液体态的有利区域。
• 提取的自旋能隙能量ħω₀/kB随磁场线性增加，其斜率显著大于α-RuCl₃，表明更强的场诱导能隙效应。
• 在零场下κ(T)曲线在6 K以下未出现T_min，表明磁有序相中存在延伸至至少2 meV的低能自旋激发。
• 在B∥a条件下，B ≈ Bc与零场时的κ(T)曲线近乎相同，表明中间场区自旋涨落以相似能量尺度持续存在，支持量子自旋液体相的存在。