Universität zu Köln

Anuja, Sahasrabudhe ORCID: 0000-0003-0853-1247 (2024). Raman Scattering on alpha-RuCl3 under high magnetic fields. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The Kitaev Quantum Spin Liquid (QSL) is a theoretical phase of matter proposed by physicist Alexei Kitaev in 2006. It is characterized by the absence of conventional long-range magnetic order in the magnetic moments of electrons, even at absolute zero temperature, distinguishing it from traditional magnetic systems. This QSL phase arises from anisotropic, direction-dependent spin interactions among spin-1/2 electrons on a two-dimensional honeycomb lattice. alpha-RuCl3 has emerged as a promising candidate for the observation of the QSL phase due to its direction-dependent exchange interactions. However, the presence of isotropic Heisenberg exchange interactions results in a zigzag antiferromagnetic order below 7 K, with additional complexity introduced by anisotropic off-diagonal interactions. Despite these challenges, numerous studies suggest that a QSL phase might be stabilized in the field-induced phase of the material. In this study, we employ Raman scattering to investigate  alpha-RuCl3. We begin with angle-resolved Raman scattering to verify the crystal symmetry. Subsequently, we explore the field-induced phase, observing a transition in the Raman response from a featureless, gapless broad continuum and weak antiferromagnetic magnons in the magnetically ordered phase to sharp magnetic excitations and a gapped continuum in the disordered phase. Additionally, helicity-resolved Raman scattering with in-plane magnetic fields reveals the chiral nature of magnetic and phononic excitations. This technique identifies a distinct field regime between 7.5 and 10.5 T, correlating with the proposed stabilization of the QSL phase. Our study underscores the significance of the field-induced phase, providing insights into complex interactions such as chirality-selective hybridization between the continuum and phonons, and a particular non-reciprocal hybridized feature arising from phonon-magnon interaction.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Raman-Streuung an alpha-RuCl3 unter hohen Magnetfeldern German
Translated abstract:	Abstract Language Die Kitaev-Quanten-Spin-Flüssigkeit (QSL) ist eine theoretische Materiephase, die 2006 vom Physiker Alexei Kitaev vorgeschlagen wurde. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass selbst bei absolutem Nullpunkt keine herkömmliche langreichweitige magnetische Ordnung in den magnetischen Momenten der Elektronen vorhanden ist, was sie von traditionellen magnetischen Systemen unterscheidet. Diese QSL-Phase entsteht durch richtungsabhängige Spin-Wechselwirkungen unter Spin-1/2-Elektronen auf einem zweidimensionalen Honigwaben-Gitter. alpha-RuCl₃ hat sich als vielversprechender Kandidat für die Beobachtung der QSL-Phase herausgestellt, aufgrund seiner richtungsabhängigen Austauschwechselwirkungen. Allerdings führt das Vorhandensein isotroper Heisenberg-Austauschwechselwirkungen zu einer Zickzack-Antiferromagnetischen Ordnung unterhalb von 7 K, mit zusätzlicher Komplexität durch anisotrope Off-Diagonal-Wechselwirkungen. Trotz dieser Herausforderungen deuten zahlreiche Studien darauf hin, dass eine QSL-Phase in der feldinduzierten Phase des Materials stabilisiert werden könnte. In dieser Studie verwenden wir Raman-Streuung, um alpha-RuCl₃ zu untersuchen. Wir beginnen mit winkelaufgelöster Raman-Streuung, um die Kristallsymmetrie zu überprüfen. Anschließend untersuchen wir die feldinduzierte Phase, wobei wir einen Übergang in der Raman-Antwort von einem merkmalslosen, lückenlosen breiten Kontinuum und schwachen antiferromagnetischen Magnonen in der magnetisch geordneten Phase zu scharfen magnetischen Anregungen und einem lückenhaften Kontinuum in der ungeordneten Phase beobachten. Darüber hinaus zeigt helicity-auflösende Raman-Streuung mit Magnetfeldern in der Ebene die chirale Natur der magnetischen und phononischen Anregungen. Diese Technik identifiziert ein bestimmtes Feldregime zwischen 7,5 und 10,5 T, das mit der vorgeschlagenen Stabilisierung der QSL-Phase korreliert. Unsere Studie unterstreicht die Bedeutung der feldinduzierten Phase und liefert Einblicke in komplexe Wechselwirkungen wie chirality-selektive Hybridisierung zwischen dem Kontinuum und Phononen sowie ein spezifisches nicht-reziprokes hybridisiertes Merkmal, das aus der Phonon-Magnon-Wechselwirkung entsteht German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Anuja, Sahasrabudhe anuja2011s@gmail.com orcid.org/0000-0003-0853-1247 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-732667
Date:	2024
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics II
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language RuCl3, Raman Sacattering, Magnetic field, Chiral, chirality, non-reciprocal, chiral phonons, chiral magnetic excitations, magnon-phonon, hybridization, continuum, helicity-resolved Raman scattering, Raman Optical Activity,Quantum Spin Liquid, Kitaev Quantum spin liquid, quantum disordered phase, phase transition, Kitaev exchange, Heisenberg interactions, off-diagonal interactions, Raman circular dichroism English
Date of oral exam:	19 January 2024
Referee:	Name Academic Title van Loosdrecht, Paul H. M. Prof. Dr. Ir Parmigiani, Fulvio Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/73266