Magnetoelastic effects in the hyperhoneycomb Kitaev spin liquid
Aysel Shiralieva
Department of Physics, National Research University Higher School of Economics, Moscow, Russia
Artem Prokoshin
Lomonosov Moscow State University, Moscow 119991, Russia
Natalia B. Perkins
School of Physics and Astronomy, University of Minnesota, Minneapolis, Minnesota 55455, USA
E-mail: nperkins@umn.edu
Received May 6, 2021, published online July 26, 2021
Abstract
In recent years, several magnetic Mott insulators with strong spin-orbit coupling were suggested to be proximate to the Kitaev quantum spin liquid, whose one of the most exciting features is the fractionalization of spin excitations into itinerant Majorana fermions and static Z2 fluxes. Unfortunately, the ground states of these systems cannot be easily captured by experiment, remaining featureless to conventional local probes. Here we propose to study the signatures of fractionalized excitations by exploiting their coupling to the lattice vibrations, dubbed magnetoelastic coupling, which arises from the fact that the interaction between spins depends on the relative distance between them. We argue that the magnetoelastic coupling can lead to the distinct modification of the phonon dynamics, which can be observed by measuring renormalized phonon spectrum, the sound attenuation and the phonon Hall viscosity. This makes the phonon dynamics a promising tool for the characterization and identification of quantum spin liquid phases. In this work, we focus on the magnetoelastic effects in the three-dimensional Kitaev model realized on the hyperhoneycomb lattice. The hyperhoneycomb Kitaev spin liquid is particularly interesting since the strong Kitaev interaction was observed in the Kitaev magnet β-Li2IrO3, for which the spin-orbit entangled Jeff = 1/2 moments of iridium ions form precisely the hyperhoneycomb lattice.
Анотація
В останні роки припускалося, що декілька моттовських ізоляторів з великою спін-орбітальною взаємодією можуть бути близькими до квантової спінової рідини Китаєва, цікавою особливістю якої є розподіл спінових збуджень на рухомі ферміони Майорани та статичні Z2 потоки. На жаль, основний стан цих систем важко зафіксувати експериментально, бо він не виявляє особливостей на відміну від звичайного локального зондування. Запропоновано для знаходження проявів розділення збуджень використовувати їхній зв’язок із коливаннями гратки, тобто магнітопружний зв’язок, який виникає внаслідок залежності взаємодії між спінами від їхньої відносної відстані. Показано, що магнітопружний зв’язок може приводити до суттєвих модифікацій фононної динаміки, яка може спостерігатися у вигляді перенормування вимірюваного фононного спектра, загасання звуку та холлівської фононної в’язкості. Це робить фононну динаміку перспективним інструментом для характеризування та ідентифікації фаз квантової спінової рідини. Основну увагу приділено магнітопружним ефектам у тривимірній моделі Китаєва, яка реалізується у гіперсотовій гратці. Гіперсотова китаєвська спінова рідина дуже цікава, бо сильну китаєвську взаємодію було спостережено у китаєвському магнетику β-Li2IrO3, в якому спін-орбітально пов’язані Jeff = 1/2 моменти іридію формують точну гіперсотову гратку.
Key words: phonon dynamics, magnetoelastic coupling, quantum spin liquid.
