Forschung: Langreichweiti­ge Magnetische Ordnung im S = 1/2 Dreiecks-Gitter-Antiferromagne­ten KCES2

Die Forschung an magnetischer Frustration hat erhebliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da sie zu einer Konkurrenz verschiedener Zustände gebrochener magnetischer Symmetrie und der möglichen Realisierung von Quantenspinflüssigkeitszuständen (QSL) führen kann. QSL beherbergen eine weitreichende Verschränkung mit möglicher topologischer Ordnung und Grundzustandsentartung. Aufgrund von z.B. geometrischen Einschränkungen des Kristallgitters können Spins nicht alle im Grundzustand "einfrieren", sondern fluktuieren selbst bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Diese Eigenschaften führen zu ungewöhnlichen fraktionalisierten Anregungen, die entscheidende neue Elemente in der Quanteninformationsverarbeitung bieten.

Kürzlich wurden mehrere Ce- und Yb-basierte Dreiecksgitter-Antiferromagnete mit Delafossitstruktur entdeckt und die Realisierung eines QSL vorgeschlagen. Der Ursprung dieser Zustände bleibt jedoch umstritten: anisotrope magnetische Wechselwirkungen, die durch die starke Spin-Bahn-Kopplung induziert werden, sowie magnetische Nächste-Nachbar-Wechsel-wirkungen werden diskutiert. Eine Möglichkeit, den Ursprung des QSL in diesen Systemen zu klären, besteht darin, Wege zu identifizieren, sie in eine magnetisch langreichweitige Ordnung zu überführen.

In unserer Arbeit stellen wir den neuen Ce-basierten Dreiecksgitter-Antiferromagneten KCeS₂ vor und zeigen, dass er trotz gleicher Delafossitstruktur eine magnetische Ordnung unterhalb von T_N = 0.38 K aufweist. Die Bildung eines S = ½ Grundzustands von KCeS₂ wird durch unsere quantenchemischen Berechnungen und inelastischen Neutronenstreuexperimente bestätigt. Wir berichten und quantifizieren weiterhin eine starke Anisotropie des g-Faktors sowie eine sechsfach-periodische Anisotropie der spezifischen Wärme innerhalb der Dreiecksebene, was möglicherweise auf anisotrope magnetische Wechselwirkungen in diesem Material hinweist. Nach unserem Kenntnisstand ist KCeS₂ der erste Dreiecksgitter-Antiferromagnet, bei dem eine solche Anisotropie in der Ebene beobachtet wird.

G. Bastien, B. Rubrecht, E. Haeussler, P. Schlender, Z. Zangeneh, S. Avdoshenko, R. Sarkar, A.  Alfonso, S. Luther, Y. A. Onykiienko, H. C. Walker, H. Kühne, V. Grinenko, Z. Guguchia, V. Kataev, H.-H. Klauss, L. Hozoi, J. van den Brink, D. S. Inosov, B. Büchner, A. U. B. Wolter, T. Doert,
Long-range magnetic order in the S = 1/2 triangular lattice antiferromagnet KCeS₂,
SciPost Physics 9, 041 (2020) (arXiv)