偶极-八极焦绿石 Ce$_2$Zr$_2$O$_7$ 中量子自旋冰对磁场的响应

我们报道了沿 $[1,\bar{1}, 0]$ 方向在磁场下对单晶 Ce$_2$Zr$_2$O$_7$ 低至 $\sim$ 0.1 K 的新比热测量。这些新测量表明，零场比热中的宽驼峰随场强增加向更高温度移动，并在 $\sim$ 2 T 处被 $[1,\bar{1}, 0]$ 磁场分裂为两个驼峰。这些分离的特征源于对此方向磁场，焦绿石晶格分解为有效解耦的链：一组链（$\alpha$-链）被磁场极化，而另一组（$\beta$-链）保持自由。我们的理论建模表明 $\beta$-链接近临界态，具有近无能隙激发。我们还报道了在 $[1, \bar{1}, 0]$ 与 $[0, 0, 1]$ 磁场下对单晶 Ce$_2$Zr$_2$O$_7$ 低至 0.03 K 的新弹性与非弹性中子散射测量。弹性散射的行为与 $[1, \bar{1}, 0]$ 场下形成独立链一致，而 $[0, 0, 1]$ 场在 $(0, 2, 0)$ 及等价波矢处产生单个场诱导磁布拉格峰，表明在高于 $\sim$ 3 T 的场下为极化自旋冰。对于 $[1, \bar{1}, 0]$ 与 $[0, 0, 1]$ 场，我们的非弹性中子散射结果显示出近似无色散的散射连续谱，其能量与强度均随场强增加而增加。通过使用数值链簇与半经典分子动力学计算对完整实验数据集建模，我们证明了 Ce$_2$Zr$_2$O$_7$ 中交换相互作用的多极主导性质，以及控制偶极与八极自由度之间混合的参数 $\theta$ 之微小。这些结果支持先前对微观交换参数的估计。