研究透视：Science-量子自旋液体-半整数量化的异常热霍尔效应

Kitaev模型是一种建立在二维六角蜂窝状格子上的，有效自旋为1/2的量子自旋液体，其形成来源于自旋空间中，各向异性的Kitaev相互作用。在真实材料体系中，具有六角蜂窝状结构的莫特绝缘体α-RuCl3，被认为是众多候选材料中最具潜力实现量子自旋液体。尽管α-RuCl3材料表现出一些与 Kitaev 自旋液体相关的物理特性，但其并不是该模型的完美代表。今日，日本京都大学Y. Matsuda团队在Science上发文，报道了α-RuCl3这种材料的热霍尔响应，探索了 Kitaev 描述的局限性。在样品平面上，并与其成一定角度施加外部磁场，观察到热霍尔信号的半整数量化，形成了与 Kitaev 模型一致的拓扑状态。

图为没有场外分量的半整数热量子霍尔效应。(A) 4.8 K 时 H||–a 轴（红色圆圈）和 H||b 轴（蓝色圆圈）在 AFM 状态（灰色阴影区域）和顺磁状态（黄色阴影）下的热霍尔传导率 kxy。右轴，每 2D 层 k2D xy 的热霍尔电导以量子热导 K0 ¼ p2=3 k2 B=h T 为单位标记。(B) 高场顺磁区的相同数据。(C) 由沿 a 轴施加的热电流 q 产生的横向温度梯度示意图。左图：当沿 -a 轴应用 H 时，沿 b 轴出现温度梯度 ∇T。红色和蓝色区域分别表示高温和低温区域。绿色圆圈代表巡回马约拉纳粒子的边缘电流。右图：当沿 b 轴施加 H 时，沿 b 轴没有出现横向温度梯度。(D) 在观察到热 QHE 的磁场中，kxy/T 对 H||–a 的温度依赖性。右轴显示由 k0/T 归一化的 k2D xy =T。还绘制了 (6) 中报告的不同晶体中 q = –60° 和 –45° 的结果。插图显示了低温范围内的 ldata。

（图源：Science）

图为样品#3 中倾斜场中的测量。(A) 在 q =–60°（红色圆圈）和 60°（蓝色圆圈）在 ac 平面中远离 c 轴的倾斜场中，kxy 在 4.3 K 时的场依赖性。灰色和黄色阴影区域分别代表 AFM 有序和自旋液体状态。沿 a 轴施加热电流 q。由 kxx(H) 的最小值确定的 AFM 跃迁场为 H* = 7.0 T。(B) 高场自旋液体状态下的相同数据。

（图源：Science）

图为纯 Kitaev 模型中陈数的场角变化。(A) 陈数 Ch 场角变化的理论结果，对于自旋轴和晶轴，纯 Kitaev 模型为 ±1。(B) Ch 在交流平面内的变化。实心和橙色虚线箭头分别表示 q = –60° 和 +60° 处的 c 轴场方向。紫色箭头表示沿 –a 轴 (q = –90°) 的场方向。(C) 在 ab 平面内 Ch 的变化。实线和虚线紫色箭头分别表示沿 -a 和 b 轴的场方向。(D) 蜂窝晶格及其方向示意图。两个三角形子晶格构成蜂窝晶格。实心和空心圆圈表示不同亚晶格上的 Ru 原子。所有链接都根据其方向标记为 x-、y- 和 z-链接。自旋轴垂直于这些链接。

（图源：Science）

即对于没有面外分量的磁场，也会出现半整数热霍尔平台。 量化热霍尔电导的测量场角变化，与纯基塔耶夫自旋液体的拓扑陈数具有相同的符号结构。即使在 a-RuCl3 中存在非 Kitaev 相互作用的情况下，与局部磁矩的分级相关的非阿贝尔拓扑顺序仍然存在。

文献链接：https://science.sciencemag.org/content/373/6554/568

DOI: 10.1126/science.aay5551

本文译自“Science”，仅供学术交流。