研究快讯 | 稀土氧卤化物——具有范德瓦尔斯层状结构的Kitaev自旋液体候选材料家族

原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 9 March 2021; 

online 2 April 2021

EXPRESS LETTER

Rare-Earth Chalcohalides: A Family of van der Waals Layered Kitaev Spin Liquid Candidates

Jianting Ji (籍建葶), Mengjie Sun (孙梦杰), Yanzhen Cai (蔡焱桢), Yimeng Wang (王艺朦), Yingqi Sun (孙颖琦), Wei Ren (任玮), Zheng Zhang (张政), Feng Jin (金峰), and Qingming Zhang (张清明)

Chin. Phys. Lett. 2021, 38 (4): 047502

文章亮点

揭示了一个基于稀土磁性离子、具有理想层状结构和无畸变蜂巢格子的Kitaev自旋液体候选材料家族。

稀土氧卤化物——具有范德瓦尔斯层状结构的Kitaev自旋液体候选材料家族

研究背景

量子自旋液体是一种具有强自旋纠缠的新奇量子自旋无序态，具有自旋电荷分离和分数化、拓扑序和拓扑激发等很多奇异的效应和性质，也被认为是理解铜氧化物非常规超导机制的关键。一般认为这样一个奇异量子态是由几何自旋阻挫和量子自旋涨落共同驱动的，而Kitaev提出一个基于蜂巢格子的严格可解自旋模型，证明可以通过各向异性的自旋交换耦合（交换耦合“阻挫”），实现量子自旋液体态。其中无能隙量子自旋液体态通过外磁场稳定，具有非阿贝尔的任意子激发，这为基于Kitaev自旋液体实现高容错拓扑量子计算的方案打开大门。由于Kitaev系统中独特的各向异性自旋交换耦合，在一般量子磁性系统中是极其不同寻常的，寻找理想的Kitaev材料成为该领域的关键性挑战。在强自旋轨道耦合的Jackeli-Khaliulin机制的指导下，过去十多年主要对基于4d/5d磁性离子的系统进行了探索，其中以对alpha-RuCl3的大量研究为代表。这些已探索的Kitaev材料大多具有非理想结构或缺陷等因素，从而导致自旋有序的基态，这为研究本征的Kitaev自旋液体物理增加了不少复杂性。

内容简介

最近，来自中国科学院物理研究所、中国人民大学和兰州大学的联合研究小组，揭示了一个新的基于稀土磁性离子的Kitaev材料家族——稀土氧硫族卤化物REChX (RE=rare earth, Ch=O, S, Se, Te, X=F, Cl, Br, I)。该家族大部分成员都具有R-3m的高对称性，其中磁性离子构成无畸变的蜂巢格子，4f电子的强自旋轨道耦合提供了Kitaev模型所要求的本征的各向异性自旋交换耦合。研究小组生长制备了该家族一些具有代表性的化合物，包括YbOCl单晶，SmSI、ErOF、HoOF、DyOF多晶等，对这些材料的结构进行了细致表征，测量了从1.8 K到室温的热力学性质，除DyOF外其他材料在1.8 K之上没有明显的磁有序相变，初步表明该家族作为Kitaev材料的可行性。

研究意义和重要性

该材料家族的发现，为研究Kitaev自旋液体的物理和发展相应的拓扑量子计算，提供了具有启发意义的材料平台。特别值得注意的是，该家族材料具有van der Waals层状结构，表明材料具有理想的二维性。这对实现严格的阿贝尔/非阿贝尔任意子激发是非常关键的，同时也在未来应用方面，特别是开发类石墨烯的小型化器件方面具有突出优势。

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