Review Abstract


Concept and realization of Kitaev quantum spin liquids

2019年3月25日 Nature Reviews Physics 1 : 3 doi: 10.1038/s42254-019-0038-2


キタエフ模型は、2Dハニカム格子におけるS = 1/2 スピン模型であり、厳密に解くことができる。キタエフ模型では、スピンが分数化してマヨラナフェルミオンになり、基底状態においてトポロジカル量子スピン液体(QSL)が形成される。α-RuCl3や数種のイリジウム複合酸化物は、ハニカム構造の磁性絶縁体で、そうした物質では、電子相関とスピン軌道結合の相互作用によってキタエフ模型の必須要素が現れる可能性があると指摘された。このため、キタエフQSLを実現しマヨラナフェルミオンの特徴を検出する競争が始まった。我々は、キタエフQSL基底状態の理論的背景と、スピンと軌道がエンタングルしたJeff = 1/2モーメントを用いたキタエフQSL基底状態の実現についてまとめる。また、Na2IrO3、α-Li2IrO3、β-Li2IrO3、γ-Li2IrO3、α-RuCl3、H3LiIr2O6などの候補物質とその電子的特性および磁気的特性について概説する。最後に、印加磁場中のH3LiIr2O6とα-RuCl3がQSL状態の特徴を示すことと、α-RuCl3がスピン分数化と一致する異常な磁気励起と熱輸送特性を示すことを明らかにした実験について論じる。

Hidenori Takagi, Tomohiro Takayama, George Jackeli, Giniyat Khaliullin and Stephen E. Nagler

Corresponding Author



George Jackeli

Stephen E. Nagler
Neutron Scattering Division, Oak Ridge National Laboratory

The Kitaev model is an exactly solvable S = 1/2 spin model on a 2D honeycomb lattice, in which the spins fractionalize into Majorana fermions and form a topological quantum spin liquid (QSL) in the ground state. Several complex iridium oxides, as well as α-RuCl3, are magnetic insulators with a honeycomb structure, and it was noticed that they accommodate essential ingredients of the Kitaev model owing to the interplay of electron correlation and spin–orbit coupling. This has led to a race to realize the Kitaev QSL and detect signatures of Majorana fermions. We summarize the theoretical background of the Kitaev QSL ground state and its realization using spin–orbital entangled Jeff = 1/2 moments. We provide an overview of candidate materials and their electronic and magnetic properties, including Na2IrO3, α-Li2IrO3, β-Li2IrO3, γ-Li2IrO3, α-RuCl3 and H3LiIr2O6. Finally, we discuss experiments showing that H3LiIr2O6 and α-RuCl3 in an applied magnetic field exhibit signatures of the QSL state and that α-RuCl3 has unusual magnetic excitations and thermal transport properties consistent with spin fractionalization.