Experimental signatures of a three-dimensional quantum spin liquid in effective spin-1/2 Ce2Zr2O7 pyrochlore
Bin Gao, Tong Chen, David W. Tam, Chien-Lung Huang, Kalyan Sasmal, Devashibhai T. Adroja, Feng Ye, Huibo Cao, Gabriele Sala, Matthew B. Stone, Christopher Baine… 展开作者
Bin Gao, Tong Chen, David W. Tam, Chien-Lung Huang, Kalyan Sasmal, Devashibhai T. Adroja, Feng Ye, Huibo Cao, Gabriele Sala, Matthew B. Stone, Christopher Baines, Joel A. T. Barker, Haoyu Hu, Jae-Ho Chung, Xianghan Xu, Sang-Wook Cheong, Manivannan Nallaiyan, Stefano Spagna, M. Brian Maple, Andriy H. Nevidomskyy, Emilia Morosan, Gang Chen, Pengcheng Dai
量子自旋液体（quantum spin liquid，QSL）是一种物质状态，其中固体中未成对电子的自旋是量子纠缠的，但在零温度极限下不显示磁序。由于这种状态可能对高转变温度超导性的微观起源很重要，并且对量子计算很有用，因此QSL的实验实现是凝聚态物理长期追求的目标。虽然在二维（2D）自旋1/2 kagome晶格ZnCu 3（OD）6Cl 2和有效自旋1/2三角晶格YbMgGaO 4上的中子散射实验已经发现了连续磁激发的证据，但在非常低的温度下，QSL携带“分数量子激发”的标志，磁性和非磁性化学无序使数据的解释变得复杂。最近，三维（3D）的Ce 3+烧绿石晶格Ce 2Sn 2 O 7已被建议作为一个干净的，有效的自旋1/2 QSL候选人，但没有证据表明自旋激发连续。在这里，我们使用的热力学，μ子自旋弛豫（μ SR），和中子散射实验的单晶Ce 2 Zr 2 O 7，化合物同构Ce 2Sn 2 O 7，以证明不存在磁有序和自旋激发连续在35 mK的存在下，与预期的QSL一致。由于我们对Ce 2 Zr 2 O 7的中子衍射和漫散射测量没有发现在其他高温超导体中看到的氧缺陷和磁/磁离子无序的证据，Ce 2 Zr 2 O 7可能是具有最小磁和磁化学无序的3D QSL材料的第一个例子。
英文摘要：
A quantum spin liquid (QSL) is a state of matter where unpaired electrons' spins in a solid are quantum entangled, but do not show magnetic order in the zero-temperature limit. Because such a state may be important to the microscopic origin of high-transition temperature superconductivity and useful for quantum computation, the experimental realization of QSL is a long-sought goal in condensed matter physics. Although neutron scattering experiments on the two-dimensional (2D) spin-1/2 kagome-lattice ZnCu3(OD)6Cl2 and effective spin-1/2 triangular lattice YbMgGaO4 have found evidence for a continuum of magnetic excitations, the hallmark of a QSL carrying 'fractionalized quantum excitations', at very low temperature, magnetic and nonmagnetic site chemical disorder complicates the interpretation of the data. Recently, the three-dimensional (3D) Ce3+ pyrochlore lattice Ce2Sn2O7 has been suggested as a clean, effective spin-1/2 QSL candidate, but there is no evidence of a spin excitation continuum. Here we use thermodynamic, muon spin relaxation (μ SR), and neutron scattering experiments on single crystals of Ce2Zr2O7, a compound isostructural to Ce2Sn2O7, to demonstrate the absence of magnetic ordering and the presence of a spin excitation continuum at 35 mK, consistent with the expectation of a QSL. Since our neutron diffraction and diffuse scattering measurements on Ce2Zr2O7 reveal no evidence of oxygen deficiency and magnetic/nonmagnetic ion disorder as seen in other pyrochlores, Ce2Zr2O7 may be the first example of a 3D QSL material with minimum magnetic and nonmagnetic chemical disorder.
Randomness-induced quantum spin liquid behavior in the $s=$1/2 bond-random Heisenberg antiferromagnet on the pyrochlore lattice
利用精确对角化和Hams-de Raedt方法研究了焦绿石晶格上键随机$s=1/2$ Heisenberg反铁磁体的零温和有限温性质.我们发现这种随机性导致了无带隙的量子自旋液体（QSL）态，即随机单重态。本文讨论了对最近实验的启示，即混合阴离子焦绿石晶格反铁磁体Lu $_2$ Mo $_2$ O $_5$ N $_2$表现出无带隙QSL行为。
Comment on "Case for a U(1)pi Quantum Spin Liquid Ground State in the Dipole-Octupole Pyrochlore Ce2Zr2O7" by E. M. Smith et al., Phys. Rev. X 12, 021015 (2022)
在引用的论文中，对广泛的磁中子散射数据的所有解释都是错误的[Phys. Rev. X 12，021015]。因为，其中的散射强度的表达式不包含铈多极的可能贡献的烧绿石的磁状态是一个主要目标的公布的调查。评论包括对该理论的基本修正的简要介绍。
Symmetric $\mathrm{U(1)}$ and $\mathbb{Z}_2$ spin liquids on the pyrochlore lattice
University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）；Quantum Science Center（量子科学中心）；Kavli Institute for Theoretical Physics（卡弗里理论物理研究所）；Canadian Institute for Advanced Research（加拿大高级研究院）
Nematic spin liquid in a spin-1 pyrochlore magnet and its realization in $\mathrm{NaCaNi}_2\mathrm{F}_7$
Creative Science Unit, Faculty of Science, Shizuoka University（静冈大学理学院创意科学单元）；Institute for Materials Research, Tohoku University（东北大学材料研究所）；Theory of Quantum Matter Unit, Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University（冲绳科学技术大学院大学量子物质理论单元）
University of Waterloo（滑铁卢大学）；Queen Mary University of London（伦敦玛丽女王大学）；Waterloo Institute for Nanotechnology, University of Waterloo（滑铁卢大学纳米技术研究所）；Institute for Solid State Physics, The University of Tokyo（东京大学固体物理研究所）
Crystal field states of Tb3+ in the pyrochlore spin liquid Tb2Ti2O7 from neutron spectroscopy
我们报告的飞行时间中子散射测量Tb 3+在Tb 2 Ti 2 O 7的磁谱。的数据，这扩展到120毫电子伏，并校准强度，使我们能够巩固和扩展以前的研究单离子晶体场谱。我们成功地改进了Tb_2Ti_2O_7晶体场势的模型，而不依赖于其他稀土钛酸盐的数据，我们证实了基态是一个非Kramers双峰，|+/-4>组件。我们比较模型与早期的模型。
Candidate Quantum Spin Liquid in the Ce\textsuperscript{3+} Pyrochlore Stannate Ce$_2$Sn$_2$O$_7$
本文报道了稀土烧绿石Ce $_2$ Sn $_2$ O $_7$的低温磁性。我们的磁化率和磁化强度的测量表明，由于Kramers的双重基态的热隔离，Ce $_2$ Sn $_2$ O $_7$具有类伊辛磁矩的$\sim1.18$ $μ_\mathrm{B}$。磁矩被限制在局部的三角轴上，就像在自旋冰中一样，但是交换相互作用是反铁磁的。低于1 K时，系统进入反铁磁关联状态。与对烧绿石晶格上经典$\langle 111 \rangle$ -Ising自旋的预测相反，在0.02 K以下没有长程有序的迹象。结果表明，Ce $_2$ Sn $_2$ O $_7$具有强量子涨落的反铁磁液体基态.
Controlling effective dimensionality and competition between spin liquid and chiral orders by new multiorbital effects in $S=\frac{1}{2}$ pyrochlore oxides
Common Glass-Forming Spin-Liquid State in the Pyrochlore Magnets Dy$_2$Ti$_2$O$_7$ and Ho$_2$Ti$_2$O$_7$
尽管有序的烧绿石晶体结构和Dy $^{3+}$或Ho $^{3+}$离子之间的强磁相互作用，但在烧绿石钛酸盐Ho $_2$ Ti $_2$ O $_7$和Dy $_2$ Ti $_2$ O $_7$中没有检测到长程磁有序。为了探索通过冷却这些材料形成的实际磁相，我们使用环形，无边界磁化传输技术测量它们的磁化动力学。我们发现，这两种化合物的动态磁化率具有相同的独特的现象，这是无法区分的形式从偶极玻璃形成液体的介电常数。此外，Ho $_2$ Ti $_2$ O $_7$和Dy $_2$ Ti $_2$ O $_7$都表现出微观磁弛豫时间，其沿着与在玻璃形成偶极液体中观察到的那些类似的超阿耳修斯轨迹增加。因此，当冷却到低于约2K时，Dy $_2$ Ti $_2$ O $_7$和Ho $_2$ Ti $_2$ O $_7$都进入相同的磁性状态，表现出玻璃形成自旋液体的特性。
Phase diagram of pyrochlore iridates: all-in-all-out magnetic ordering and non-Fermi liquid properties
采用局域密度近似和动力学平均场论（LDA+DMFT）方法，从第一性原理出发研究了5d烧绿石铱酸盐Y2 Ir 2 O 7的原型结构.我们绘制了温度、库仑排斥力U和填充空间的相图。与实验一致，我们发现，一个全进全出有序绝缘相是稳定的现实值的U。三角晶场增强了jeff=1/2二重态的磁矩，库仑相互作用导致了强的带间关联，表明三带描述是重要的.我们证明了一个实质性的带变窄的顺磁性金属相和非费米液体的行为，在电子/空穴掺杂系统起源于长寿命的准自旋矩引起的近平带。
From Spin Glass to Quantum Spin Liquid Ground States in Molybdate Pyrochlores
本文给出了两种磁阻挫高温超导体：$S=1$氧化物Lu $_2$ Mo $_2$ O $_7$和$S={\frac{1}{2}}$氧氮化物Lu $_2$ Mo $_2$ O $_5$ N $_2$的新的磁热容和中子散射结果. Lu $_2$ Mo $_2$ O $_7$在$T_f {\sim} 16$ K下经历到非常规自旋玻璃基态的转变。然而，相应的氧氮化物的制备将基态的性质从自旋玻璃调谐到量子自旋液体。这里介绍的氧化物和氧氮化物相内的静态和动态自旋相关性的比较揭示了量子涨落在选择基态中所起的关键作用。此外，我们估计了$Δ {\sim} 0.05$ meV或${\fracΔ{|θ|}}\sim0.004$的氮氧化物的量子自旋液体态的自旋激发谱中的间隙的上限，以其反铁磁外斯常数$θ {\sim}-121$ K为单位。
Interplay of uniform U(1) quantum spin liquid and magnetic phases in rare earth pyrochlore magnets : a fermionic parton approach
研究了稀土烧绿石磁体中含有低能费米子准粒子的均匀时间反演不变的$U(1)$量子自旋液体（QSL），并利用增广费米子平均场论方法研究了其磁不稳定性.自洽的计算稳定一个统一的$U(1)$ QSL与带隙和无隙部分子激发，以及在实验相关的部分相图附近的经典相边界的磁有序相的磁有序相的分馏。带隙的QSL具有带结构和非零的$Z_2$拓扑不变量。分馏磁有序相承担签名QSL通过费米子激发以及磁秩序。这为理解低/零外磁场下Yb $_2$ Ti $_2$ O $_7$、Er $_2$ Sn $_2$ O $_7$和Er $_2$ Pt $_2$ O $_7$等稀土高温超导体的非常规中子漫散射提供了可能途径。我们通过计算动态自旋结构因子来理解扩散双粒子连续谱的性质。
Magnetoelastic excitations in the pyrochlore spin liquid Tb$_2$Ti$_2$O$_7$
在低温下，Tb $_2$ Ti $_2$ O $_7$进入自旋液体状态，尽管预期磁序和/或结构畸变。利用中子散射，我们已经发现，在这种自旋液体状态的激发晶体场的水平耦合到一个横向声学声子，形成一个混合激发。磁性和声子分支具有相同的色散关系，可以确定，和杂交消失在顺磁状态。我们认为Tb $_2$ Ti $_2$ O $_7$是一种合适的“磁弹性自旋液体”，激发态的杂化抑制了磁有序和结构畸变. Tb $_2$ Ti $_2$ O $_7$的自旋液相现在可以被认为是具有传播玻色子自旋激发的库仑相。
Experimental signatures of versatile Weyl semimetal in pyrochlore iridate with spin-ice like magnetic orders
我们报告的实验签名的Weyl半金属状态的烧绿石Pr 2 Ir 2 O 7，其中近藤耦合之间的Ir拓扑电子和自旋冰类订单的Pr矩起着决定性的作用。电阻率和霍尔电导率的磁场依赖性表现出与磁场磁滞相关的平台和急剧跳跃，类似于偶极自旋冰系统中的液-气相变。此外，近藤耦合是由流体静压控制，揭示了外尔点在动量空间中的场致位移强烈依赖于各自的电子状态以及近藤耦合强度。这些观测结果为具有相对论传导电子和局域磁矩的混合量子材料的能带拓扑结构的工程设计铺平了道路。
A spin liquid with pinch-line singularities on the pyrochlore lattice
从麦克斯韦的电磁学理论到爱因斯坦的广义相对论，规范理论的数学基础是过去200年来物理学中许多最深刻的进步。最近，人们已经清楚地看到，规范理论也出现在凝聚态物质中，一个最好的例子是自旋冰材料，它拥有一个新兴的电磁规范场。在自旋冰中，中子散射测量中的夹点奇点揭示了潜在的规范结构。在这里，我们报告的自旋液体的发现，其中的低温物理是自然描述的连续规范自由度的张量场的波动。这种规范结构支持一种不寻常的形式的自旋相关性，从而产生了捏线奇点-类似于在自旋冰中观察到的捏点。值得注意的是，这些特征可能已经在烧绿石材料Tb $_2$ Ti $_2$ O $_7$中观察到。
Classification and correlation signatures of chiral spin liquids on the pyrochlore lattice
Université Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学）；Kavli Institute for Theoretical Physics, University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校卡弗里理论物理研究所）；Canadian Institute for Advanced Research（加拿大高级研究院）；Department of Physics, Indian Institute of Technology Madras（印度马德拉斯理工学院物理系）
Geometrically Frustrated Quadrupoles on the Pyrochlore Lattice and Generalized Spin Liquids
Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）；Laboratoire Léon Brillouin, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay（里昂·布里渊实验室，法国原子能和替代能源委员会，法国国家科学研究中心，巴黎萨克雷大学）；Université Grenoble Alpes, CNRS, Institut Néel（格勒诺布尔阿尔卑斯大学，法国国家科学研究中心，尼尔研究所）
Breathing chromium spinels: a showcase for a variety of pyrochlore Heisenberg Hamiltonians
我们解决了长期存在的问题，丰富多样的现象，在铬呼吸烧绿石材料家族的微观起源。结合电子结构和重整化群技术，我们解决了磁相互作用和分析其倒易空间磁化率。我们表明，这些材料的物理主要是由长程海森堡哈密顿相互作用，迄今未得到赞赏的事实。我们的计算揭示，在这些同构化合物中，硫族元素的选择触发了材料与经典自旋液体的接近，其特征在于不同维度的波矢量的简并流形：LiInCr 4 O 8和LiGaCr 4 O 8的三维简并库仑相，螺旋自旋液体与二维简并为CuInCr4Se 8和一维线简并特征的面，LiInCr4S8、LiGaCr4S8和CuInCr4S8的心立方反铁磁体。我们在铬尖晶石中发现的原型烧绿石行为的令人惊讶的复杂阵列可能会激发掺杂或压力下不同半经典自旋液体之间的过渡路径的研究。
Pyrochlore U(1) spin liquid of mixed symmetry enrichments in magnetic fields
指出了在微扰自旋冰区外的对称性富集U（1）量子自旋液体（QSL）的实验关联性和探测方案。最近对铈基烧绿石QSL材料的实验表明，候选QSL可能不接近众所周知的自旋冰制度，因此从根本上不同于其他烧绿石QSL材料。我们考虑了$π$通量U（1）QSL的可能性，它是受抑的横向交换相互作用而不是通常的量子自旋冰所支持的。以前提出，对于烧绿石磁体Ce $_2$ Sn $_2$ O $_7$和Ce $_2$ Zr $_2$ O $_7$上Ce $^{3+}$局域磁矩的偶极-八极二重态的一般自旋模型，可以实现偶极U（1）QSL和八极U（1）QSL。我们解释和预测了实验特征，特别是八极$π$通量U（1）QSL的磁场响应。从根本上说，这种非凡的状态是点群对称和平移对称的对称性丰富的混合物。我们讨论了烧绿石U（1）QSL的相关实验，并进一步提供了一些见解烧绿石海森堡模型。
Thermal conductivity of quantum magnetic monopoles in the frustrated pyrochlore Yb2Ti2O7
我们报道了烧绿石Yb $_2$ Ti $_2$ O $_7$的低温热导率$κ$，其中包含具有显著量子涨落的受抑自旋冰关联。在无序自旋液体区域，$κ(H)$表现出非单调的磁场依赖性，这是很好地解释了强的自旋-声子散射和量子相干激发。我们发现量子单极子的激发能比无色散的经典单极子的激发能有很强的抑制。此外，与扩散的经典单极子形成鲜明对比的是，量子单极子具有很长的平均自由程，我们推断量子单极子是一种新的重粒子，可能是玻色子，它在三维自旋液体中是高度可动的。
