稳态强磁场实验装置助力Kitaev量子自旋液体候选材料3d基蜂窝状氧化物Na2Co2TeO6的研究
时间 : 2021-10-09     
 近日,稳态强磁场实验装置(SHMFF)用户上海交通大学物理与天文学院马杰课题组,利用SHMFF所属多频高场电子自旋共振谱仪(MFHF ESR),在Kitaev量子自旋液体候选材料3d基蜂窝状氧化物Na2Co2TeO6的研究领域取得了突破性进展。该研究成果以“Field-induced quantum spin disordered state in spin-1/2 honeycomb magnet Na2Co2TeO6为题发表在国际期刊Nature Communications

具有显著的自旋轨道耦合(SOC)的磁性材料,由于具有承载新奇量子相的潜力,近年来已成为量子磁性的一个新领域。一个突出的例子是Kitaev模型,这是一个以拓扑量子自旋液体(QSL)基态为特征的精确可解自旋模型。微观上,这种模型可以从具有竞争的自旋各向异性交换相互作用的磁性绝缘体中产生。实现Kitaev QSL的基本前提是(a)磁性离子具有自旋轨道纠缠、Kramers简并基态;(b)它们排列在合适的晶格上,二维(2D)蜂窝晶格是最简单的例子。到目前为止,对Kitaev模型研究主要集中在4d/5d基过渡元素体系,因为它们具有相对较强的SOC,其中包括H3LiIr2O6α-Li2IrO3α-Na2IrO3α-RuCl3

理论研究表明,Kitaev物理可以在3d过渡金属Co基蜂窝状磁性材料中找到。基于此,研究团队以有着蜂窝状结构的Co基氧化物Na2Co2TeO6作为研究对象,结合SHMFF电子自旋共振、比热、磁化率以及非弹性中子散射对其量子磁性进行了研究,在7.5 T < B(垂直于b轴且在ab面内)< 10.5 T的外加磁场范围内发现了磁场诱导自旋无序态(图1);也很好地证实了在外加磁场7.5 T10.5 T表现出的自旋无序特征(图2),测得高场ESR数据显示出丰富的磁激发谱,其中在有序相中观察到ABC三种激发模,而激发模D仅在B > 6 T时可以观察到,我们注意到它与α-RuCl3ESR数据非常相似,其在自旋无序状态下出现了具有线性场能量关系的新激发模。同时,模拟了非弹性中子散射光谱,初步提取了交换相互作用。作为一种在有效自旋1/2蜂窝状晶格上具有场致无序状态的3d磁性材料,Na2Co2TeO6Kitaev模型扩展到3d化合物,加深了对量子磁性材料中自旋轨道效应的理解。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-25567-7

1.Na2Co2TeO6的温度-磁场相图

2.a-j 2 K下,不同频率的ESR激发谱;k 2 KNa2Co2TeO6ESR频率和磁场相图,橄榄方块和品红星是从50 K时的电子顺磁共振数据中获得的;插图绘制了在50 K214 GHz下测得的电子顺磁共振激发谱