Low Energy Electrodynamics of Novel Spin Excitations in the Quantum Spin Ice Yb$_2$Ti$_2$O$_7$
LiDong Pan, Se Kwon Kim, A. Ghosh, Christopher M. Morris, Kate A. Ross, Edwin Kermarrec, Bruce D. Gaulin, S. M. Koohpayeh, Oleg Tchernyshyov, N. P. Armitage
在凝聚态系统中，对称性破缺的长程序（LRO）的形成往往伴随着新的激发。然而，在许多磁性烧绿石氧化物，几何挫折抑制传统的LRO，而在同一时间观察到非平凡的自旋相关。对于这样的材料，一个自然的问题是，在这种高度相关的状态下，没有对称性破缺，激发的性质是什么？通常，对称破缺场的应用可以稳定激发，其性质仍然反映了没有长程序的反常态的某些方面。在这里，我们报告的量子自旋冰材料Yb $_2$ Ti $_2$ O $_7$中的新的磁激发的证据，从时域太赫兹光谱（TMF）。在大磁场下，在$<$ 001 $>$定向磁场中观察到磁振子和双磁振子激发，说明了场诱导LRO态的稳定性。独特的能力，测量复杂的响应函数允许直接研究磁响应在不同的极化通道，揭示了一个不寻常的左手极化磁振子的存在。这些激发的g因子在低场极限下显著增强，表明这些一个和两个磁振子状态交叉成与量子弦状激发相一致的特征，该特征被提出存在于小$<$ 001 $>$施加场的量子自旋冰中。
英文摘要：
In condensed matter systems, the formation of long range order (LRO) with broken symmetry is often accompanied by new types of excitations. However, in many magnetic pyrochlore oxides, geometrical frustration suppresses conventional LRO while at the same time non-trivial spin correlations are observed. For such materials, a natural question to ask then is what is the nature of the excitations in this highly correlated state without broken symmetry? Frequently the application of a symmetry breaking field can stabilize excitations whose properties still reflect certain aspects of the anomalous state without long-range order. Here we report evidence of novel magnetic excitations in the quantum spin ice material Yb$_2$Ti$_2$O$_7$, obtained from time-domain terahertz spectroscopy (TDTS). At large fields, both magnon and two-magnon-like excitations are observed in a $<$001$>$ directed magnetic field illustrating the stabilization of a field induced LRO state. The unique ability of TDTS to measure complex response functions allows a direct study of magnetic responses in different polarization channels, revealing the existence of an unusual left-hand polarized magnon. The g-factors of these excitations are dramatically enhanced in the low-field limit, showing a cross-over of these one- and two-magnon states into features consistent with quantum string-like excitations proposed to exist in quantum spin ice in a small $<$001$>$ applied field.
Thermal Conductivity and Specific Heat of the Spin-Ice Compound Dy$_2$Ti$_2$O$_7$: Experimental Evidence for Monopole Heat Transport
自旋冰化合物Dy $_2$ Ti $_2$ O $_7$中的基元激发可以描述为在由磁性Dy离子形成的烧绿石晶格内独立传播的磁单极子。我们研究了B的热导率κ（B）与磁场的关系||[001]并观察到源自磁激发的磁热传输的明显证据。磁贡献κ mag与磁场有很强的相关性，并与磁化强度M（B）有关。由κ mag与磁比热之比得到的扩散系数在低于1K时大大增强，表明自旋冰态的自旋激发具有高的迁移率.
Gapless quantum excitations from an Ice-like Splayed Ferromagnetic ground state in stoichiometric Yb2Ti2O7
已知量子自旋冰候选磁体Yb 2 Ti 2 O 7的基态对从熔体生长的单晶中发生的1%水平的弱无序敏感。通过固态合成产生的粉末倾向于化学计量比，并且在相对高的温度下显示出大而尖锐的热容异常，Tc约为0.26 K。我们已经进行了中子弹性和非弹性测量的特点和平衡的化学计量的粉末样品的Yb2Ti2O7显示分辨率有限的布拉格峰出现在低温下，但其发病相关的温度远高于Tc。相应的磁结构最好描述为冰状的张开铁磁体。在Yb2Ti2O7中的自旋动力学被证明是在所有温度下小于0.09毫电子伏的能量尺度上是无隙的，并且被组织成具有高度过阻尼铁磁自旋波存在的痕迹的散射的连续体。这些激发极大地不同于传统的自旋波预测的Yb2Ti2O7的平均场有序状态，但出现强大的弱无序，因为它们在很大程度上是一致的，所显示的非化学计量粉碎单晶和单晶，以及粉末样品的Yb2Ti2O7的姐妹量子磁体Yb2Sn2O7。
Evidence for the Confinement of Magnetic Monopoles in Quantum Spin Ice
磁单极子是由狄拉克弦连接起来的基本粒子，它们的行为就像无限薄的弦。尽管经过几十年的研究，自由磁单极子和它们的狄拉克弦仍然无法在实验中被探测到，尽管有大量证据表明自旋冰材料中存在非受限的磁单极子准粒子。在这里，我们报告的检测层次的不等间距磁激发\emph{via}高分辨率非弹性中子光谱测量的量子自旋冰候选人Pr $_{2}$ Sn $_{2}$ O $_{7}$。这些激发可以用一个简单的模型来描述，该模型是由一个有效张力为0.642（8）K~ $\cdot$/$^{-1}$（1.65 K）的线性势所束缚的电子对。线性势模型的成功表明，这些低能磁激发是量子自旋冰候选体Pr $_{2}$ Sn $_{2}$ O $_{7}$中磁束缚准粒子的直接光谱证据.
Heat transport of the spin-ice materials Ho$_2$Ti$_2$O$_7$ and Dy$_2$Ti$_2$O$_7$
自旋冰材料Ho $_2$ Ti $_2$ O $_7$和Dy $_2$ Ti $_2$ O $_7$在零场中的元激发可以描述为独立的磁单极子。我们通过测量磁场依赖的热导率$κ$来研究这些奇异激发对热输运的影响。对高度稀释的参考化合物HoYTi $_2$ O $_7$和DyYTi $_2$ O $_7$的额外测量使我们能够将$κ$分离为声子（$κ_{ph}$）和磁性（$κ_{mag}$）贡献的总和。对于这两种自旋冰材料，我们得到显着的零场贡献$κ_{mag}$，这是迅速抑制在有限的磁场。此外，$κ_{mag}$敏感地依赖于由磁激发引起的声子散射，这对于Ho基和Dy基材料是相当不同的，并且作为进一步的结果，相应的磁场依赖性变化$κ_{ph}(B)$甚至具有相反的符号。
Magnetic charge injection in spin ice: a new way to fragmentation
凝聚态物质中的复杂性为新物质状态的发现提供了养分，而挫折感等因素则丰富了新物质状态。磁性系统的例子有Kitaev自旋液体、Skyrmions相或自旋冰。这些非传统的基态支持奇异的激发，例如自旋冰中的磁荷，也称为单极子。除了发现它们之外，一个重要的挑战是能够控制和操纵它们。在这里，我们提出了一种新的机制，通过交错磁场注入单极子的自旋冰。我们从理论上表明，并在实验中证明，在Ho $_2$ Ir $_2$ O $_7$烧绿石铱酸盐，它的结果在一个稳定的晶体，表现出磁性碎片。在这种新的物质状态下，磁矩分裂成一个有序的部分和一个持续波动的部分。与传统的自旋冰相比，在这种分裂状态下的不同性质的激发开辟了新的可调场诱导和动力学行为的道路。
First-principles design of the spinel iridate Ir2O4 for high-temperature quantum spin ice
与自旋冰相关的绝缘磁性稀土高温超导体拥有涌现的玻色子单极自旋子，它们服从量子电动力学的磁性模拟，并可能开辟一条通往电子学磁性模拟的道路。然而，稀土磁矩之间相互作用的能量尺度是如此之低，以至于只有在亚开尔文才能实现可能的量子相干性。在这里，我们从第一性原理出发设计了高温量子自旋冰材料。结果表明，A-位脱嵌尖晶石铱酸盐Ir 2 O 4，这已被实验生长为外延薄膜，是一个有前途的候选人的量子自旋冰与自旋冰规则的相互作用的几十meV。通过衬底控制Ir 2 O 4的电子结构，可以调节磁相互作用，使得磁性库仑液体在高温下持续存在。
Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics（鲁道夫·派尔斯理论物理中心）；Hertford College（赫特福德学院）
Critical speeding-up near the monopole liquid-gas transition in magnetoelectric spin-ice
在所谓的自旋冰化合物中，相互竞争的相互作用稳定了一个具有有限零点熵的受抑基态，有趣的是，还出现了磁共振激发。这些单极子的性质是最近研究的焦点，特别强调它们的量子动力学。据预测，每个电介质也具有电偶极矩，这允许通过介电函数ε（ν）来研究它们的动力学。在这里，我们报告的宽带光谱测量的ε（ν）在Dy 2 Ti 2 O 7下降到200 mK的温度与特定的重点上的关键端点存在的磁场沿晶体[111]方向。当磁单极子的密度以临界方式变化时，类似于在液-气转变中，在介电响应中揭示出明确的临界特征。令人惊讶的是，介电弛豫时间τ表现出临界加速，随着温度向临界温度降低，介电弛豫时间τ显著增加1/τ。除了展示了紧急的双激发的磁电特性，我们的结果揭示了独特的临界动力学附近的双凝聚转变。
Spin Liquid Regimes at Nonzero Temperature in Quantum Spin Ice
量子自旋液体是具有涌现规范结构、分数自旋子激发和其他不寻常性质的量子系统的高度纠缠基态。虽然这些特征清楚地将量子自旋液体与传统的在零温度（T）下的类平均场状态区分开来，但它们在T>0时的状态不太清楚。严格地说，已知大多数量子自旋液体在非零温度下失去它们的特性，在这种情况下，它们可被热力学变换成平凡的顺磁体。这是最近提出的在量子自旋冰高温超导体中出现的U（1）量子自旋液体态的情况。然而，在这里，我们提出，在实践中，后者的量子自旋液体可以被视为不同的相从高温顺磁体。通过规范平均场论计算和物理推理相结合，我们认为，这些系统同时支持量子自旋液体和热自旋液体相，分别由量子涨落和熵，占主导地位。这些阶段被一阶“热约束”跃迁分开，使得对于低于跃迁的温度，自旋子和出射光子是相干传播的激发，并且在其之上动力学是经典的。即使对于基态是磁有序的而不是量子自旋液体的参数，也会发生这种强的一阶跃迁，从而抢占常规的朗道型临界性。我们认为，这张照片解释了在量子自旋冰材料Yb 2 Ti 2 O 7中观察到的异常低温相变。
