Forschung: Natur der magnetischen Hochfeldanre­gungen in α-RuCl3

Das berühmte Kitaev-Heisenberg-Modell sagt eine Vielzahl von magnetischen Phasen für wabenförmige Spinstrukturen voraus, die vom konventionellen Néel-Zustand bis zu einer Quanten-Spin-Flüssigkeit reichen, wobei die Spindynamik durch Spin-Flip-Anregungen bestimmt wird, die sich aufteilen in magnetischen Fluss mit und Majorana-Fermion-Anregungen ohne Energielücke. α-RuCl₃ ist einer der Hauptkandidaten, um dieses Modell zu testen. Eine auffallende Besonderheit der Spindynamik in diesem Material ist das Vorhandensein eines breiten Anregungskontinuums, das als potenzielle Signatur fraktionierter Majorana-Anregungen interpretiert wurde. Abgesehen davon zeigte sich in der feldinduzierten, magnetisch ungeordneten Phase unterhalb des Kontinuums ein sehr reiches Anregungsspektrum, dessen Natur unverstanden war. In Zusammenarbeit mit Partnern aus Oak Ridge, USA, führten wir umfassende Studien zur Elektronenspinresonanz (ESR) an hochwertigen, orientierten Einkristallen von α-RuCl₃ durch, wobei wir uns auf die Hochfeld-Spin-Dynamik konzentrierten. Durch die Kombination unserer Ergebnisse mit neueren inelastischen Neutronen- und Raman-Streudaten konnten wir die meisten der beobachteten Anregungen identifizieren (Abbildung). Vor allem aber fanden wir klare Evidenz, dass die Niedertemperatur-Hochfeld-ESR-Antwort von Ein- und Zwei-Teilchen-Prozessen mit Magnonen als Elementaranregungen dominiert wird.

A. N. Ponomaryov, L. Zviagina, J. Wosnitza, P. Lampen-Kelley, A. Banerjee, J.-Q. Yan, C. A. Bridges, D. G. Mandrus, S. E. Nagler, S. A. Zvyagin,
Nature of Magnetic Excitations in the High-Field Phase of α−RuCl₃,
Phys. Rev. Lett. 125, 037202 (2020) (arXiv)