Forschung: Wärmetransport durch Spinonen in dem 3D-Quantenmagnet PbCuTe2O6

Das Spinon, eine ladungsneutrale Fraktionierung der Anregungen des elektronischen Spins, ist ein schwer fassbares Quasiteilchen in einigen Quantenspinflüssigkeitszuständen (QSF). Als fermionisches Quasiteilchen verhalten sich Spinonen in vielerlei Hinsicht wie Elektronen. Insbesondere der Nachweis einer Spinon-Fermi-Fläche, die in konzeptioneller Analogie zur elektronischen Fermi-Fläche steht, gilt als starker Beweis für einen QSF-Zustand. Die Suche nach Spinonen und den QSF-Zuständen, die sie beherbergen, ist hauptsächlich niederdimensionalen Systemen gewidmet. Überzeugende Beweise für das Vorhandensein von Spinonen und QSF-Zuständen sind jedoch nicht nur rar, sondern gelten auch als fragil in Gegenwart von Kristallunreinheiten, was wahrscheinlich auf ihre niederdimensionale Natur zurückzuführen ist.

In dieser Arbeit berichten wir über thermische Transporteigenschaften des dreidimensionalen QSF-Kandidaten PbCuTe₂O₆ bis hinunter in den Millikelvin-Temperaturbereich. Ein klarer Beitrag zur Wärmeleitfähigkeit linear in der Temperatur weist auf die Existenz einer Fermi-Fläche hin, in diesem Fall der Spinon-Fermi-Fläche. Diese Eigenschaft ist bei verschiedenen Kristallen, die mit unterschiedlichen Techniken synthetisiert wurden, vorherrschend und robust gegenüber Probenstörungen, ferroelektrischen Übergängen, Magnetfeldern und feldinduzierten magnetischen Phasen. Die Idee, dass emergente Anregungen eines ungeordneten Grundzustands wohldefinierte Objekte bilden, erinnert an das Konzept der Quasiteilchen in Metallen, das seit einem Jahrhundert bekannt ist. In Verbindung mit früheren Berichten über den Nachweis eines QSF-Zustands in PbCuTe₂O₆ unter anderen Aspekten stellt dieses Material ein Modellsystem für die genauere Untersuchung echter QSF-Zustände dar.

X. Hong, M. Gillig, A. R. N. Hanna, S. Chillal, A. T. M. N. Islam, B. Lake, B. Büchner, C. Hess,
Spinon Heat Transport in the Three-Dimensional Quantum Magnet PbCuTe2O6,
Phys. Rev. Lett. 131, 256701 (2023) (arXiv)