The low-temperature highly correlated quantum phase in the charge-density-wave 1T-TaS2 compound

1T-TaS2에서 Ta 원소는 2차원 삼각격자를 이루고 5d 전자 하나로 양자 스핀을 가지면서 강한 스핀-궤도 결합을 한다. 이 물질은 세 개의 전하밀도파 상전이를 가지고 150 K 아래에서 ‘데이비드 별’ 모양의 분자궤도를 이루는 특이한 바닥상태를 보인다. 이 상태가 흥미로운 점은 13의 Ta 원소로 이루어진 하나의 데이비드 별 중앙에 분자결합을 하지 않는 S=1/2의 소위 고아스핀 (Orphan spin)이 있다는 점이다. 이 연구에서는 자화율, 비열, 중성자 산란과 뮤온 완화실험 등을 통하여 이런 고아스핀이 이루는 극저온 바닥상태를 연구하여 새로운 양자스핀 상호작용 결과를 발견하였다.

A prototypical quasi-2D metallic compound, 1T-TaS2 has been extensively studied due to an intricate interplay between a Mott-insulating ground state and a charge density-wave (CDW) order. In the low-temperature phase, 12 out of 13 Ta4+ 5d-electrons form molecular orbitals in hexagonal star-of-David patterns, leaving one 5d-electron with S = ½ spin free. This orphan quantum spin with a large spin-orbit interaction is expected to form a highly correlated phase of its own. And it is most likely that they will form some kind of a short-range order out of a strongly spin-orbit coupled Hilbert space. In order to investigate the low-temperature magnetic properties, we performed a series of measurements including neutron scattering and muon experiments. The obtained data clearly indicate the presence of the short-ranged phase and put the upper bound on ~ 0.4 µB for the size of the magnetic moment, consistent with the orphan-spin scenario.

참여 연구원: Marie Kratochvilova, 박제근

npj Quantum Materials 온라인 게재
doi:10.1038/s41535-017-0048-1

https://www.nature.com/articles/s41535-017-0048-1