[論文レビュー] Deconfined quantum critical point lost in pressurized SrCu2(BO3)2

Jing Guo, Pengyu Wang+12 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2023

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、圧力下におけるSrCu2(BO3)2のプラケットsinglet（PS）相と反強磁性（AF）相の間の量子臨界点が、長年の議論を解決し、第一級であることを実験的に示した。高圧比熱測定により、第一級転移と、PS相とAF相の転移線が交わる圧力誘起二臨界点が明らかになった。これは、連続的なDQCP（脱カラーリング量子臨界点）の理論的予測とは矛盾し、最近の量子もつれ解析と整合する。

ABSTRACT

In the field of correlated electron materials, the relation between the resonating spin singlet and antiferromagnetic states has long been an attractive topic for understanding of the interesting macroscopic quantum phenomena, such as the ones emerging from magnetic frustrated materials, antiferromagnets and high-temperature superconductors. SrCu2(BO3)2 is a well-known quantum magnet, and it is theoretically expected to be the candidate of correlated electron material for clarifying the existence of a pressure-induced deconfined quantum critical point (DQCP), featured by a continuous quantum phase transition, between the plaquette-singlet (PS) valence bond solid phase and the antiferromagnetic (AF) phase. However, the real nature of the transition is yet to be identified experimentally due to the technical challenge. Here we show the experimental results for the first time, through the state-of-the-art high-pressure heat capacity measurement, that the PS-AF phase transition of the pressurized SrCu2(BO3)2 at zero field is clearly a first-order one. Our result clarifies the more than two-decade long debates about this key issue, and resonates nicely with the recent quantum entanglement understanding that the theoretically predicted DQCPs in representative lattice models are actually a first-order transition. Intriguingly, we also find that the transition temperatures of the PS and AF phase meet at the same pressure-temperature point, which signifies a bi-critical point as those observed in Fe-based superconductor and heavy-fermion compound, and constitutes the first experimental discovery of the pressure-induced bi-critical point in frustrated magnets. Our results provide fresh information for understanding the evolution among different spin states of correlated electron materials under pressure.

研究の動機と目的

• 圧力下でSrCu2(BO3)2が脱カラーリング量子臨界点（DQCP）を有するかどうかという長年の議論を解決すること。
• SrCu2(BO3)2におけるプラケットsinglet（PS）価鍵固体相と反強磁性（AF）相の間の真の量子臨界転移の性質を特定すること。
• PS相とAF相の転移線が圧力下で交差する点、すなわち二臨界点の存在を調査すること。
• 最近の理論的知見、すなわち格子模型におけるDQCPが実際には第一級転移であるという仮説を実験的に検証すること。

提案手法

• 10 GPaまで達する高圧下で、単結晶SrCu2(BO3)2を用いた比熱測定を実施し、PS-AF転移領域における熱力学的挙動を調査した。
• 真の量子臨界転移を分離するために、ゼロ磁場下での測定を実施した。
• 転移点付近での比熱の発散および不連続性を分析し、転移の順序を分類した。
• 複数の圧力における転移温度を特定することで、圧力-温度相図を構築した。
• 第一級転移およびDQCPの理論的期待とデータを比較した。
• PS相とAF相の転移線が、一つの圧力-温度点で合流することから、二臨界点の存在を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧力下におけるSrCu2(BO3)2のプラケットsinglet相と反強磁性相の間の量子臨界転移は、連続的な脱カラーリング量子臨界点（DQCP）であるのか、それとも第一級であるのか？
• RQ2 PS相とAF相の転移線が、圧力-温度平面で一つの点で交差するか、すなわち二臨界点を示すか？
• RQ3 実験結果は、最近の理論的予測（格子模型におけるDQCPは実際には第一級転移である）とどのように一致するか？
• RQ4 この frustrated 量子磁性体における相転移の真の性質を決定づける量子もつれの役割は何か？
• RQ5 高圧比熱測定は、SrCu2(BO3)2の相図における長年の曖昧さを解消できるか？

主な発見

• ゼロ磁場下におけるSrCu2(BO3)2のPS-AF転移は、明確に第一級である。これは、転移温度で比熱に急激な不連続性が観測されたことによる。
• PS相の転移温度とAF相の転移温度が、一つの圧力-温度点で一致しており、圧力誘起二臨界点を示している。
• この二臨界点は、frustrated 量子磁性体において初めての実験的観測例である。
• 実験結果は、SrCu2(BO3)2にDQCPが存在しないことを矛盾させ、最近の理論的知見（このようなDQCPは実際には第一級転移である）を支持する。
• データは、代表的格子模型で予測されるDQCPが不安定であり、第一級転移に崩壊することを示唆する量子もつれ解析と整合する。
• 本研究は、この代表的量子磁性体における量子臨界転移の性質に関する25年以上にわたる理論的・実験的議論を解決した。