三角格子量子スピン液体候補におけるスピノンフェルミ表面の証拠

量子スピン液は、スピンが非常に絡み合っており、ゼロ温度まで障害を維持するエキゾチックな量子状態です。このような物質の状態は、高温の超伝導と量子情報のアプリケーションに潜在的に関連しており、量子スピン液体状態の実験的識別は、量子物質の理解にとって根本的に重要です。理論的研究により、さまざまな量子スピン液体基質状態が提案されており、そのほとんどは、分数量子数（「スピノン」と呼ばれる）のエキゾチックなスピン励起によって特徴付けられています。ここでは、ブリルアンゾーンの広い領域をカバーする広いスピン励起を明らかにする、三角格子抗強磁石Ybmggao4の中性子散乱測定を報告します。観察された拡散したスピン励起は、測定されたエネルギーが最も低く、透明な上部励起のエッジを示し、スピノンフェルミ表面の粒子穴励起と一致しています。したがって、我々の結果は、Ybmggao4にスピノンフェルミ表面を持つ量子スピン液体状態の存在を示しています。これは、量子スピン液の元の提案のように、完全なスピン-1/2三角格子を備えています。

A quantum spin liquid is an exotic quantum state of matter in which spins are highly entangled and remain disordered down to zero temperature. Such a state of matter is potentially relevant to high-temperature superconductivity and quantum-information applications, and experimental identification of a quantum spin liquid state is of fundamental importance for our understanding of quantum matter. Theoretical studies have proposed various quantum-spin-liquid ground states, most of which are characterized by exotic spin excitations with fractional quantum numbers (termed 'spinons'). Here we report neutron scattering measurements of the triangular-lattice antiferromagnet YbMgGaO4 that reveal broad spin excitations covering a wide region of the Brillouin zone. The observed diffusive spin excitation persists at the lowest measured energy and shows a clear upper excitation edge, consistent with the particle-hole excitation of a spinon Fermi surface. Our results therefore point to the existence of a quantum spin liquid state with a spinon Fermi surface in YbMgGaO4, which has a perfect spin-1/2 triangular lattice as in the original proposal of quantum spin liquids.