李世燕课题组利用极低温热输运探测自旋液体候选材料中的自旋子激发
发布时间: 2017-01-08     文章作者:     访问次数: 1295

    自旋液体作为一种新奇的量子物态,近年来在理论上和实验上都受到了广泛关注。在自旋液体中,随着温度降低,宏观数量的自旋相互纠缠,但并不会形成对称性破缺的长程磁有序态。自旋液体一般有可能出现在有几何阻挫的磁性材料中,在二维情形下比较有名的候选材料有三角格子的k-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3EtMe3Sb[Pd(dmit)2]2,以及笼目格子的ZnCu3(OH)6Cl2等,然而至今还没有一个被广泛认可的真正具有自旋液体基态的材料。

   2015年中国人民大学张清明教授研究组合成出了具有稀土元素Yb三角格子的YbMgGaO4材料Y. S. Li et al.,Sci. Rep. 5, 16419 (2015),在该工作中,我系李世燕教授课题组参与了合作研究,通过对YbMgGaO4多晶的比热测量发现直到60 mK的低温(远低于其4 K的居里-外斯温度)都没有磁有序的迹象。之后,YbMgGaO4作为自旋液体的候选材料在近两年被深入研究,缪子自旋弛豫【Y. S. Li et al., Phys. Rev. Lett. 117, 097201 (2016)】和中子散射【Y. Shen et al., Nature 540, 559 (2016)】等实验结果认为其可能是一个无能隙的U(1)自旋液体。

    要判定一个材料是否真正具有自旋液体基态,了解其低能元激发的热力学行为是非常必要的。最近李世燕课题组又对YbMgGaO4单晶样品进行了系统的极低温比热和热导率测量,主要结果如图1和图2所示。图1展示了YbMgGaO4单晶在09 T的外磁场下的极低温比热数据。通过减去非磁的对照材料LuMgGaO4的比热(完全来自于声子的贡献),可以得到YbMgGaO4的磁比热。在零场下YbMgGaO4的磁比热结果与之前的多晶样品相似,可以用幂函数拟合,幂指数为0.74,这个值接近无能隙的U(1)自旋液体的理论值2/3。在6 T9 T高场下,磁比热可以用指数函数拟合,反映出高场下极化的铁磁态的磁子(magnon)能隙,拟合比热数据得到的磁子能隙大小与理论计算结果吻合。图2展示了YbMgGaO4单晶在09 T的外磁场下的极低温热导率数据。在零场下磁激发对YbMgGaO4的热导率没有明显的正的贡献,在磁场下热导率的增加表明声子受到的磁散射在减少。因此,对YbMgGaO4单晶的热导率行为可以描述为:其热导率几乎完全是由声子贡献的,没有磁激发的贡献;在低场时该磁性系统会散射声子,对声子的热导率起压制作用;在高场时样品进入完全极化态,磁子在低温下具有能隙,因此声子不受磁性系统的散射,声子热导率接近非磁的LuMgGaO4单晶的热导率。这些实验结果表明对YbMgGaO4基态的描述有两种可能,一种可能是YbMgGaO4的基态并不是一个自旋液体,其大的磁比热不是由自旋子(spinon)贡献的,而是有别的来源;另一种可能是YbMgGaO4的基态确实是自旋液体,但是其中的自旋子由于Mg2+/Ga3+离子层的无序被局域化了。总之,在零场下没有观察到磁热导率贡献这一实验结果对理论描述YbMgGaO4给予了很强的约束,对最终判定YbMgGaO4是否具有自旋液体基态具有比较重要的意义。

1YbMgGaO4单晶在09 T外磁场下的极低温比热数据。零场的磁比热可以用幂函数拟合,幂指数为0.74;在6 T9 T高场下,磁比热可以用指数函数拟合。

  

2YbMgGaO4单晶在09 T外磁场下的极低温热导率数据。零场下磁激发对YbMgGaO4的热导率没有明显的正的贡献。其热导率在磁场下的增加表明声子受到的磁散射在减少。

  

    该研究成果于20161223日发表在美国《物理评论快报》上【Y. Xuet al., Phys. Rev. Lett. 117, 267202 (2016)】,论文第一作者为我系博士研究生徐杨同学,该工作中的YbMgGaO4单晶样品由中国人民大学张清明教授研究组提供。该项目受到国家自然科学基金委、科技部、以及上海市教委和科委的资助。

 


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