Giant suppression of phononic heat transport in a quantum magnet BiCu2PO6

우리 학부 김기훈 교수 창의 연구단 (제1저자: 전병구 박사)이 주도하고 미국 고자기장 연구소, 대만대 실험팀, KAIST, IBS(서울대) 이론 연구팀의 협력하여 양자 상전이를 보이는 Cu 산화물계 물질에서 고자기장내의 새로운 열전도 현상을 발견하고 정량적인 이론적 설명을 할 수 있었다. 일반적으로 열전도 측정을 통한 새로운 양자 자성체의 열 수송 특성에 대한 연구는 양자 자성체에서 발현되는 들뜸 현상들 및 이러한 들뜸 현상들 간의 상호작용에 의한 열 운반자의 강한 산란 현상을 이해하는데 도움된다. 본 연구단은 최근 새롭게 발견된 사다리 형태의 양자 자성체 BiCu2PO6 단결정의 극 저온 열전도 특성을 미국 국립 고 자기장 연구소의 30 테슬라 고 자기장 하에서 측정하였다. 이 실험 결과 및 카이스트 문은국 교수 IBS(서울대)의 정석범 박사와 함께 개발한 열전도도 모델을 기반으로 한 계산으로부터, 이 물질의 자기적 들뜸이 포논과 강한 상호작용을 하고 있으며, 자기적 들뜸 상태에 의한 포논 열 운반자의 공명 산란 및 이 물질의 양자 임계 자기장 근처에서 발현되는 스핀 요동에 의해 매우 강한 열전도도의 억제가 일어나게 됨을 설명할 수 있었다. 또한 이 물질의 임계 자기장 근처에서 스핀 들뜸에 의한 비등방적 자기 열전도도가 측정 가능한 최저 온도까지 온도에 비례하는 형태로 나오는 것을 확인하여,이 물질의 스핀갭이 임계 자기장에서 완전히 닫힐 수 있음을 제시하였다. 이 같은 연구는 열전도도 측정을 통해 양자 임계점에서 스핀갭이 사라짐으로 인해, 스핀에 의한 열전도도가 온도에 따라 선형적인 경향을 보이는 첫번째 실험증거를 보였다는 또다른 의미를 지니고 있다. 본 연구에서 좋은 에를 보인 것처럼, 향후 많은 자기적 상전이 현상을 보이는 물질에서, 열전도도 측정을 통해 양자 임계점 부근의 스핀갭의 거동을 연구할 수 있을 것으로 기대된다.
저자:Byung-Gu Jeon (서울대), B. Koteswararao(서울대), C. B. Park(서울대), G. J. Shu(대만대), S. C. Riggs(NHMFL), E. G. Moon(KAIST), S. B. Chung(IBS, 서울대), F. C. Chou (대만대) & Kee Hoon Kim* (서울대)

Thermal transport of quantum magnets has elucidated the nature of low energy elementary excitations and complex interplay between those excited states via strong scattering of thermal carriers. BiCu2PO6 is a unique frustrated spin-ladder compound exhibiting highly anisotropic spin excitations that contain both itinerant and localized dispersion characters along the b- and a-axes respectively. Here, we investigate thermal conductivity κ of BiCu2PO6 under high magnetic fields (H) of up to 30 tesla. A dip-feature in κ, located at ~15 K at zero-H along all crystallographic directions, moves gradually toward lower temperature (T) with increasing H, thus resulting in giant suppression by a factor of ~30 near the critical magnetic field of Hc ≅ 23.5 tesla. The giant H- and T-dependent suppression of κ can be explained by the combined result of resonant scattering of phononic heat carriers with magnetic energy levels and increased phonon scattering due to enhanced spin fluctuation at Hc, unequivocally revealing the existence of strong spin-phonon coupling. Moreover, we find an experimental indication that the remaining magnetic heat transport along the b-axis becomes almost gapless at the magnetic quantum critical point realized at Hc.

Scientific Reports 6, 36970 (2016)
doi:10.1038/srep36970

http://www.nature.com/articles/srep36970