层状结构量子海森堡三角晶格反铁磁体 Ba$_3$CoSb$_2$O$_9$ 中磁场诱导有序的演化

有效自旋为二分之一的层状结构三角晶格量子海森堡反铁磁体 Ba$_3$CoSb$_2$O$_9$ 中的量子涨落消除了反铁磁基态在磁场中的经典简并，对施加于晶格 ab 面内的磁场产生一系列新颖的自旋结构。然而，层间反铁磁耦合和横向磁场对该系统基态的影响在理论上尚未解决。为解决这些问题，我们利用比热、中子衍射、热导率和磁转矩测量绘制了随磁场强度及相对于晶格 ab 面取向变化的相图。对于 H 平行于 ab 面，我们发现了低温下一个额外的、此前未报道的磁场诱导相变，以及高场相图中一个出乎意料的四临界点——结合相变明显的二级性质——排除了几种理论提出的高场相自旋结构。我们的比热测量作为磁场取向的函数，在接近平行于平面的取向角时与理论总体一致，但在接近垂直于平面时在角度上偏离；理论预言的两个相边界在有限角度处收敛及相应的场诱导相变级数变化在实验中未观察到。我们的结果强调了层间耦合在选取和稳定场诱导相中的作用，为各相中磁有序的本质提供了新指引，并揭示需要新物理来解释这一典型二维自旋二分之一三角晶格量子海森堡反铁磁体中磁有序的本质。