Topological states of matter such as quantum spin liquids (QSLs) are of great interest because of their remarkable predicted properties including protection of quantum information and the emergence of Majorana fermions. Such QSLs, however, have proven difficult to identify experimentally. The most promising approach is to study their exotic nature via the wave-vector and intensity dependence of their dynamical response in neutron scattering. A major search has centered on iridate materials which are proposed to realize the celebrated Kitaev model on a honeycomb lattice - a prototypical topological QSL system in two dimensions (2D). The difficulties of iridium for neutron measurements have, however, impeded progress significantly. Here we provide experimental evidence that a material based on ruthenium, {\alpha}-RuCl$_3$ realizes the same Kitaev physics but is highly amenable to neutron investigation. Our measurements confirm the requisite strong spin-orbit coupling, and a low temperature magnetic order that matches the predicted phase proximate to the QSL. We also show that stacking faults, inherent to the highly 2D nature of the material, readily explain some puzzling results to date. Measurements of the dynamical response functions, especially at energies and temperatures above that where interlayer effects are manifest, are naturally accounted for in terms of deconfinement physics expected for QSLs. Via a comparison to the recently calculated dynamics from gauge flux excitations and Majorana fermions of the pure Kitaev model we propose {\alpha}-RuCl$_3$ as the prime candidate for experimental realization of fractionalized Kitaev physics.

Sighting of magnetic Majorana fermions? Quantum spin liquids—materials whose magnetic spins do not settle into order even at absolute zero temperature—have long captured the interest of physicists. A particularly lofty goal is finding a material that can be described by the so-called Kitaev spin model, a network of spins on a honeycomb lattice that harbors Majorana fermions as its excitations. Banerjee et al. present a comprehensive inelastic neutron scattering study of single crystals of the material α-RuCl 3 , which has been predicted to a host a Kitaev spin liquid. The unusual dependence of the data on energy, momentum, and temperature is consistent with the Kitaev model. Science , this issue p. 1055

Abstract The celebrated Kitaev quantum spin liquid (QSL) is the paradigmatic example of a topological magnet with emergent excitations in the form of Majorana Fermions and gauge fluxes. Upon breaking of time-reversal symmetry, for example in an external magnetic field, these fractionalized quasiparticles acquire non-Abelian exchange statistics, an important ingredient for topologically protected quantum computing. Consequently, there has been enormous interest in exploring possible material realizations of Kitaev physics and several candidate materials have been put forward, recently including α-RuCl 3 . In the absence of a magnetic field this material orders at a finite temperature and exhibits low-energy spin wave excitations. However, at moderate energies, the spectrum is unconventional and the response shows evidence for fractional excitations. Here we use time-of-flight inelastic neutron scattering to show that the application of a sufficiently large magnetic field in the honeycomb plane suppresses the magnetic order and the spin waves, leaving a gapped continuum spectrum of magnetic excitations. Our comparisons of the scattering to the available calculations for a Kitaev QSL show that they are consistent with the magnetic field induced QSL phase.

Single crystals of the Kitaev spin-liquid candidate $\alpha$-RuCl$_3$ have been studied to determine low-temperature bulk properties, structure and the magnetic ground state. Refinements of x-ray diffraction data show that the low temperature crystal structure is described by space group $C2/m$ with a nearly-perfect honeycomb lattice exhibiting less than 0.2 \% in-plane distortion. The as-grown single crystals exhibit only one sharp magnetic transition at $T_{N}$ = 7~K. The magnetic order below this temperature exhibits a propagation vector of $k$ = (0, 1, 1/3), which coincides with a 3-layer stacking of the $C2/m$ unit cells. Magnetic transitions at higher temperatures up to 14~K can be introduced by deformations of the crystal that result in regions in the crystal with a 2-layer stacking sequence. The best fit symmetry allowed magnetic structure of the as-grown crystals shows that the spins lie in the $ac$-plane, with a zigzag configuration in each honeycomb layer. The three layer repeat out-of-plane structure can be refined as a 120$^o$ spiral order or a collinear structure with spin direction 35$^o$ away from the $a$-axis. The collinear spin configuration yields a slightly better fit and also is physically preferred. The average ordered moment in either structure is less than 0.45(5) $\mu_B$ per Ru$^{3+}$ ion.

The solid-solution metal oxide (NiMgCuZnCo)O is the first known high-entropy (HE) metal oxide synthesized, forming a poster child of the emerging high-entropy oxide materials, which is derived from high-temperature synthesis methodologies (>900 °C). In this work, we report the mechanochemical synthesis of this known HE metal oxide (NiMgCuZnCo)O under ambient conditions. The advantage of this approach was further demonstrated by the introduction of up to 5 wt % noble metal into (NiMgCuZnCo)O, as single atoms or nanoclusters, which showed good stability at high temperature and produced a high catalytic activity in the hydrogenation of atmospheric CO2 to CO. The latter work demonstrated the unique advantage of using HE materials to disperse catalysis centers.