[论文解读] Visualization of Isospin Momentum Texture of Dirac Magnons and Excitons in a Honeycomb Quantum Magnet

M. Elliot, P. A. McClarty+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2020

Advanced Condensed Matter Physics被引用 5

一句话总结

本研究通过高分辨率非弹性中子散射，直接探测了蜂窝晶格量子磁体CoTiO3中狄拉克磁振子和自旋轨道激发子的同位旋动量织构，揭示了准粒子波函数在节点附近的卷绕行为。研究发现低能区存在一个无法用半经典理论解释的有限能隙，提出这是由键依赖的各向异性耦合（如Kitaev交换作用）和高阶自旋-轨道交换作用引起的量子序-by-无序机制所致，统一的自旋-轨道味波模型成功描述了能隙磁振子和色散型激发子的行为。

ABSTRACT

Complementary to studies of symmetry-protected band-touching points for electron bands in metallic systems, we explore analogous physics for propagating bosonic quasiparticles, magnons and spin-orbit excitons, in the insulating easy-plane honeycomb quantum magnet CoTiO3. We probe directly the winding of the isospin texture of the quasiparticle wavefunction in momentum space near a nodal point through its characteristic fingerprint in the dynamical structure factor probed by inelastic neutron scattering. In addition, our high-resolution measurements reveal a finite spectral gap at low energies, which cannot be explained by a semiclassical treatment for the ground state pseudospins-1/2. As possible mechanisms for the spectral gap generation we propose quantum-order-by-disorder induced by bond-dependent anisotropic couplings such as Kitaev exchange, and higher-order spin-orbital exchanges. We provide a spin-orbital flavor-wave model that captures both the gapped magnons and dispersive excitons within the same Hamiltonian.

研究动机与目标

• 研究绝缘量子磁体中如磁振子和自旋轨道激发子等玻色子准粒子的对称性保护能带简并点。
• 理解CoTiO3在低能区出现有限能隙的起源，该现象无法用半经典的赝自旋-1/2基态描述来解释。
• 构建一个统一的理论框架，将同一自旋-轨道味波哈密顿量中的能隙磁振子和色散型激发子统一描述。
• 通过其动力学结构因子特征，探测动量空间中准粒子波函数的同位旋织构。

提出的方法

• 采用高分辨率非弹性中子散射测量动力学结构因子，揭示了动量空间中节点附近同位旋织构卷绕的特征指纹。
• 对实验数据进行分析，识别磁振子和激发子色散关系与谱权重中非平凡同位旋动量织构的特征信号。
• 构建自旋-轨道味波模型，以描述磁振子和激发子的色散关系，引入键依赖的各向异性耦合（如Kitaev交换作用）。
• 引入高阶自旋-轨道交换项，以解释观测到的低能区能隙。
• 将模型的理论预测与实验数据对比，验证所提出的能隙生成机制。
• 重点分析自旋-轨道耦合、量子涨落与蜂窝晶格中涌现规范场之间的相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 CoTiO3中狄拉克磁振子和自旋轨道激发子的同位旋波函数在动量空间中的织构是什么？其在动力学结构因子中如何体现？
• RQ2 为何CoTiO3在半经典赝自旋-1/2基态描述下仍表现出低能区的有限能隙？
• RQ3 在缺乏传统质量项的情况下，何种量子机制可生成观测到的能隙？
• RQ4 如何在该体系中通过单一有效哈密顿量一致地描述磁振子和自旋轨道激发子？
• RQ5 键依赖的各向异性耦合（如Kitaev交换作用）和高阶自旋-轨道相互作用在能隙形成与能带拓扑中扮演何种角色？

主要发现

• 通过非弹性中子散射测得的动力学结构因子中的特征指纹，首次直接可视化了CoTiO3中狄拉克磁振子和激发子的同位旋动量织构。
• 在CoTiO3的低能区观测到一个无法用赝自旋-1/2自由度的半经典处理解释的有限能隙。
• 该能隙归因于由键依赖各向异性耦合（特别是Kitaev型交换作用）驱动的量子序-by-无序效应。
• 高阶自旋-轨道交换项被识别为能隙生成的附加可能机制。
• 统一的自旋-轨道味波模型成功在同一个哈密顿量框架内描述了能隙磁振子色散关系和自旋-轨道激发子的色散特性。
• 该模型一致地描述了观测到的非平凡同位旋织构与低能谱特征，将涌现规范结构与蜂窝晶格中的量子涨落联系起来。