Kitaev 自旋液体候选材料 $\alpha$-RuCl$_3$ 中声子霍尔效应的证据

材料 $\alpha$-RuCl$_3$ 作为潜在的 Kitaev 量子自旋液体受到了密切研究，其预计会展现作为低能激发的 Majorana 费米子。实际上，$\alpha$-RuCl$_3$ 在温度 $T_{\rm N}$ $\approx$ 7 K 以下转变为具有反铁磁序的状态，但此序可通过施加 $H_\parallel$ = 7 T 的面内磁场而抑制。在该场略上方是否存在量子自旋液体相仍是一个开放问题，但 Kasahara 及其合作者 $\big[$Kasahara ${\it et \ al}$., Nature ${\bf 559}$, 227 (2018)$\big]$ 报道的在 $H_\parallel$ $>$ 7 T 下量子化热霍尔电导率的观测已被解释为该 Kitaev 量子自旋液体态中巡游 Majorana 费米子的证据。在本研究中，我们重新审视了 $\alpha$-RuCl$_3$ 中热霍尔电导率 $\kappa_{\rm xy}$ 的起源。我们在几块不同晶体上测量的 $\kappa_{\rm xy}$($T$) 的温度依赖性与声子主导的纵向热导率 $\kappa_{\rm xx}$($T$) 非常相似，对此的自然解释是 $\kappa_{\rm xy}$ 也主要由声子承载。冷却时，$\kappa_{\rm xx}$ 在 $T \simeq$ 20 K 处达到峰值，随后下降直至 $T_{\rm N}$，此后突然再次增加。在 $T_{\rm N}$ 以下的突然增加归因于当系统有序时低能自旋涨落部分能隙化所导致的声子被其散射的突然减少。$\kappa_{\rm xy}$ 也在 $T_{\rm N}$ 以下突然增加的事实是 $\alpha$-RuCl$_3$ 中热霍尔效应也主要由声子承载的有力证据。这意味着来自 Majorana 边缘模的任何量子化信号都必须叠加在一个可观的——且依赖于样品的——声子背景之上。