Quantum criticality describes the collective fluctuations of matter undergoing a second-order phase transition at zero temperature. Heavy-fermion metals have in recent years emerged as prototypical systems to study quantum critical points. There have been considerable efforts, both experimental and theoretical, that use these magnetic systems to address problems that are central to the broad understanding of strongly correlated quantum matter. Here, we summarize some of the basic issues, including the extent to which the quantum criticality in heavy-fermion metals goes beyond the standard theory of order-parameter fluctuations, the nature of the Kondo effect in the quantum-critical regime, the non-Fermi-liquid phenomena that accompany quantum criticality and the interplay between quantum criticality and unconventional superconductivity. At a zero-temperature phase transition from one ordered state to another, fluctuations between the two states lead to quantum critical behaviour that can lead to unexpected physics. Metals with ‘heavy’ electrons often harbour such weird states.

Combining thermodynamic measurements with theoretical calculations we demonstrate that the iridates A2IrO3 (A=Na, Li) are magnetically ordered Mott insulators where the magnetism of the effective spin-orbital S=1/2 moments can be captured by a Heisenberg-Kitaev (HK) model with interactions beyond nearest-neighbor exchange. Experimentally, we observe an increase of the Curie-Weiss temperature from θ≈-125 K for Na2IrO3 to θ≈-33 K for Li2IrO3, while the ordering temperature remains roughly the same T(N)≈15 K. Using functional renormalization group calculations we show that this evolution of θ and T(N) as well as the low temperature zigzag magnetic order can be captured within this extended HK model. We estimate that Na2IrO3 is deep in a magnetically ordered regime, while Li2IrO3 appears to be close to a spin-liquid regime.

The point at absolute zero where matter becomes unstable to new forms of order is called a quantum critical point (QCP). The quantum fluctuations between order and disorder that develop at this point induce profound transformations in the finite temperature electronic properties of the material. Magnetic fields are ideal for tuning a material as close as possible to a QCP, where the most intense effects of criticality can be studied. A previous study on theheavy-electron material $YbRh_2Si_2$ found that near a field-induced quantum critical point electrons move ever more slowly and scatter off one-another with ever increasing probability, as indicated by a divergence to infinity of the electron effective mass and cross-section. These studies could not shed light on whether these properties were an artifact of the applied field, or a more general feature of field-free QCPs. Here we report that when Germanium-doped $YbRh_2Si_2$ is tuned away from a chemically induced quantum critical point by magnetic fields there is a universal behavior in the temperature dependence of the specific heat and resistivity: the characteristic kinetic energy of electrons is directly proportional to the strength of the applied field. We infer that all ballistic motion of electrons vanishes at a QCP, forming a new class of conductor in which individual electrons decay into collective current carrying motions of the electron fluid.

We have synthesized single crystals of ${\text{Na}}_{2}{\text{IrO}}_{3}$ and studied their structure, transport, magnetic, and thermal properties using powder x-ray diffraction, electrical resistivity, isothermal magnetization $M$ versus magnetic field $H$, magnetic susceptibility $\ensuremath{\chi}$ versus temperature $T$, and heat capacity $C$ versus $T$ measurements. ${\text{Na}}_{2}{\text{IrO}}_{3}$ crystallizes in the monoclinic $C2/c$ (No. 15) type structure which is made up of Na and ${\text{NaIr}}_{2}{\text{O}}_{6}$ layers alternately stacked along the $c$ axis. The $\ensuremath{\chi}(T)$ data show Curie-Weiss behavior at high $T>200\text{ }\text{K}$ with an effective moment ${\ensuremath{\mu}}_{\text{eff}}=1.82(1){\ensuremath{\mu}}_{\text{B}}$ indicating an effective spin ${S}_{\text{eff}}=1/2$ on the ${\text{Ir}}^{4+}$ moments. A large Weiss temperature $\ensuremath{\theta}=\ensuremath{-}116(3)\text{ }\text{K}$ indicates substantial antiferromagnetic interactions between these ${S}_{\text{eff}}=1/2$, ${\text{Ir}}^{4+}$ moments. Anomalies in $\ensuremath{\chi}(T)$ and $C(T)$ data indicate that ${\text{Na}}_{2}{\text{IrO}}_{3}$ undergoes a transition into a long-range antiferromagnetically ordered state below ${T}_{\text{N}}=15\text{ }\text{K}$. The magnetic entropy at ${T}_{\text{N}}$ is only about 20% of what is expected for ${S}_{\text{eff}}=1/2$ moment ordering. The reduced entropy and the large ratio $\ensuremath{\theta}/{T}_{N}\ensuremath{\approx}8$ suggest geometrical magnetic frustration and/or low-dimensional magnetic interactions in ${\text{Na}}_{2}{\text{IrO}}_{3}$. In plane resistivity measurements show insulating behavior. This behavior together with the local-moment magnetism indicates that bulk ${\text{Na}}_{2}{\text{IrO}}_{3}$ is a Mott insulator.

We report inelastic neutron scattering measurements on Na2IrO3, a candidate for the Kitaev spin model on the honeycomb lattice. We observe spin-wave excitations below 5 meV with a dispersion that can be accounted for by including substantial further-neighbor exchanges that stabilize zigzag magnetic order. The onset of long-range magnetic order below T(N)=15.3 K is confirmed via the observation of oscillations in zero-field muon-spin rotation experiments. Combining single-crystal diffraction and density functional calculations we propose a revised crystal structure model with significant departures from the ideal 90° Ir-O-Ir bonds required for dominant Kitaev exchange.

The exactly solvable Kitaev model on the honeycomb lattice has recently received enormous attention linked to the hope of achieving novel spin-liquid states with fractionalized Majorana-like excitations. In this review, we analyze the mechanism proposed by Jackeli and Khaliullin to identify Kitaev materials based on spin-orbital dependent bond interactions and provide a comprehensive overview of its implications in real materials. We set the focus on experimental results and current theoretical understanding of planar honeycomb systems (Na2IrO3, α-Li2IrO3, and α-RuCl3), three-dimensional Kitaev materials (β- and γ-Li2IrO3), and other potential candidates, completing the review with the list of open questions awaiting new insights.

We report the first observation of non-Fermi-liquid (NFL) effects in a clean Yb compound at ambient pressure and zero magnetic field. The electrical resistivity and the specific-heat coefficient of high-quality single crystals of ${\mathrm{YbRh}}_{2}{\mathrm{Si}}_{2}$ present a linear and a logarithmic temperature dependence, respectively, in more than a decade in temperature. We ascribe this NFL behavior to the presence of (presumably) quasi-2D antiferromagnetic spin fluctuations related to a very weak magnetic phase transition at ${T}_{N}\ensuremath{\simeq}65\mathrm{mK}$. Application of hydrostatic pressure induces anomalies in the electrical resistivity, indicating the stabilization of magnetic order.

A quantum critical point (QCP) develops in a material at absolute zero when a new form of order smoothly emerges in its ground state. QCPs are of great current interest because of their singular ability to influence the finite temperature properties of materials. Recently, heavy-fermion metals have played a key role in the study of antiferromagnetic QCPs. To accommodate the heavy electrons, the Fermi surface of the heavy-fermion paramagnet is larger than that of an antiferromagnet. An important unsolved question is whether the Fermi surface transformation at the QCP develops gradually, as expected if the magnetism is of spin-density-wave (SDW) type, or suddenly, as expected if the heavy electrons are abruptly localized by magnetism. Here we report measurements of the low-temperature Hall coefficient (R(H))--a measure of the Fermi surface volume--in the heavy-fermion metal YbRh2Si2 upon field-tuning it from an antiferromagnetic to a paramagnetic state. R(H) undergoes an increasingly rapid change near the QCP as the temperature is lowered, extrapolating to a sudden jump in the zero temperature limit. We interpret these results in terms of a collapse of the large Fermi surface and of the heavy-fermion state itself precisely at the QCP.

We report low-temperature calorimetric, magnetic, and resistivity measurements on the antiferromagnetic (AF) heavy-fermion metal YbRh(2)Si(2) ( T(N)=70 mK) as a function of magnetic field B. While for fields exceeding the critical value B(c0) at which T(N)-->0 the low-temperature resistivity shows an AT2 dependence, a 1/(B-B(c0)) divergence of A(B) upon reducing B to B(c0) suggests singular scattering at the whole Fermi surface and a divergence of the heavy quasiparticle mass. The observations are interpreted in terms of a new type of quantum critical point separating a weakly AF ordered from a weakly polarized heavy Landau-Fermi liquid state.

We report a combined experimental and theoretical investigation of the magnetic structure of the honeycomb lattice magnet Na$_2$IrO$_3$, a strong candidate for a realization of a gapless spin-liquid. Using resonant x-ray magnetic scattering at the Ir L$_3$-edge, we find 3D long range antiferromagnetic order below T$_N$=13.3 K. From the azimuthal dependence of the magnetic Bragg peak, the ordered moment is determined to be predominantly along the {\it a}-axis. Combining the experimental data with first principles calculations, we propose that the most likely spin structure is a novel "zig-zag" structure.