Forschung: Thermischer Transport und Spin-Phonon Kopplung in α-RuCl3

Wir haben gezeigt, dass der longitudinale Wärmetransport von α-RuCl₃, einem System lokalisierter Momente, für das zunehmend Belege für die näherungsweise Realisierung einer Z₂-Quantenspinflüssigkeit vorliegen, vorwiegend von phononischer Natur ist. Dies gilt insbesondere für einen feldinduzierten Tieftemperaturanstieg der Wärmeleitfähigkeit κ. Die diesbezüglich wichtigste Erkenntnis ist eine dramatische Renormierung des Wärmetransports aufgrund Spin-Phonon-Streuung durch die magnetischen Anregungen in α-RuCl₃. Wir haben diese Renormierung durch Anwendung von Magnetfeldern parallel zu den Ebenen im Detail untersucht, wobei für die Temperaturabhängigkeit von κ zwei Regime I und II, nämlich unter- und oberhalb des kritischen Feldes der Néel-Phase, identifiziert wurden. Die Streuung der Phononen an den magnetische Anregungen ist in Regime I besonders stark, was auf den ersten Blick mit der unmittelbar bevorstehenden langreichweitigen magnetischen Ordnung bei Temperaturen oberhalb der Néel-Phase konsistent ist. Allerdings ist der Tieftemperaturanstieg von κ in der geordneten Phase im Vergleich zu der dramatischen Erhöhung in Regime II vergleichsweise klein. Dies belegt, konsistent mit einem mittels Neutronenstreuung beobachteten signifikant reduzierten magnetischen Moment, dass sogar in der geordneten Phase starke magnetische Fluktuationen vorliegen. Diese verbliebenen magnetischen Freiheitsgrade streuen die Phononen und liegen vermutlich bis zur Energie Null vor. Da Wärme bei tiefen Temperaturen hauptsächlich durch akustische Phononen transportiert wird, schließen wir auf einen kleinen Impuls der für die Streuung relevanten magnetischen Anregungen. Angesichts der starken Zunahme von κ in Regime II belegt dies starke feldinduzierte Veränderungen des magnetischen Anregungsspektrums in der Nähe des Γ-Punkts. Die von uns extrahierte feldinduzierte Spinanregungslücke ist überraschend groß, da sie bereits bei 18T von der Größenordnung der Kitaev-Wechselwirkung in α-RuCl₃ ist.

R. Hentrich, A. U.B. Wolter, X. Zotos, W. Brenig, D. Novak, A. Isaeva, T. Doert, A. Banerjee, P. Lampen-Kelley, D. G. Mandrus, S. E. Nagler, J. Sears, Y. June-Kim, B. Büchner, C. Hess,
Unusual Phonon Heat Transport in  α-RuCl₃: Strong Spin-Phonon Scattering and Field-Induced Spin Gap,
Phys. Rev. Lett. 120, 117204 (2018)