[論文レビュー] Field-induced neutral Fermi surface and QCD$_3$-Chern-Simons quantum criticalities in Kitaev materials

Liujun Zou, Yin-Chen He|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2018

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、キタエフ材料における場誘発量子相転移——特に非アーベル的ねじれスピン液体からズイッグザッグおよび整列相への転移——が、ギャップのないフェルミ粒子と非アーベルゲージ場を含むQCD₃-Chern-Simons臨界理論によって記述され得ると提案している。ゲージ理論における双対性を用いることで、直接的かつ連続的な転移である強力な証拠が得られ、キタエフ材料は2+1次元における発現的強い相互作用を示すクォーカーとグルーオンを研究する実験的プラットフォームとして位置づけられる。

ABSTRACT

Kitaev materials are promising for realizing exotic quantum spin liquid phases, such as a non-Abelian chiral spin liquid. Motivated by recent experiments in these materials, we theoretically study the novel field-induced quantum phase transitions from the non-Abelian chiral spin liquid to the symmetry-broken zigzag phase and to the trivial polarized state. Utilizing the recently developed dualities of gauge theories, we find these transitions can be described by critical bosons or gapless fermions coupled to emergent non-Abelian gauge fields, and the critical theories are of the type of a QCD$_3$-Chern-Simons theory. We propose that all these exotic quantum phase transitions can potentially be direct and continuous in Kitaev materials, and we present sound evidence for this proposal. Therefore, besides being systems with intriguing quantum magnetism, Kitaev materials may also serve as table-top experimental platforms to study the interesting dynamics of emergent strongly interacting quarks and gluons in $2+1$ dimensions.

研究の動機と目的

• キタエフ材料における場誘発量子相転移の性質、特に非アーベル的ねじれスピン液体から対称性が破れたズイッグザッグおよび整列相への転移を理解すること。
• これらの転移が中間相を経ずに直接的かつ連続的に行われるかどうかを特定すること。
• 高度なゲージ理論双対性を用いて、これらの転移を支配する臨界場理論を同定すること。
• キタエフ材料が2+1次元における発現的強い相互作用を示すクォーカーとグルーオンを研究する実験的プラットフォームとして実現可能であることを確立すること。

提案手法

• 最近開発されたゲージ理論における双対性を用いて、スピン液体相およびその転移を双対な場理論に写像すること。
• ギャップのないフェルミ粒子が発現的非アーベルゲージ場に結合する有効場理論を分析し、臨界的挙動を評価すること。
• 臨界理論が2+1次元における強い相互作用を示すクォーカーとグルーオンを記述するQCD₃-Chern-Simons理論であると特定すること。
• 対称性およびトポロジー的考察を用いて、可能な臨界理論を制限し、実験的観測と整合性があることを検証すること。
• 双対性の枠組みを適用して、ねじれスピン液体相、ズイッグザッグ相、整列相間の転移が連続的かつ直接的であることを示すこと。
• 臨界理論が非アーベルゲージ場に結合する発現的フェルミ粒子およびボソン自由度を支持しており、QCD₃-Chern-Simons構造と整合的であることを示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キタエフ材料における非アーベル的ねじれスピン液体からズイッグザッグおよび整列相への場誘発転移が、連続的かつ直接的に行えるか。
• RQ2 これらの転移を支配する臨界理論の性質は何か。また、2+1次元における強い相互作用を示すゲージ理論とどのように関係するか。
• RQ3 発現的非アーベルゲージ場およびギャップのないフェルミ粒子は、これらの量子相転移における臨界的挙動にどのように寄与するか。
• RQ4 キタエフ材料が、QCD₃-Chern-Simons力学を研究する実験的アナログとしてどれほど有効に機能できるか。
• RQ5 ゲージ理論における双対性は、これらの特異な量子相の臨界点を同定および特徴付けるために果たす役割は何か。

主な発見

• キタエフ材料における場誘発量子相転移は、中間相を経ずに連続的かつ直接的に行われるものと提案されている。
• これらの転移を記述する臨界理論は、ギャップのないフェルミ粒子と非アーベルゲージ場を含むQCD₃-Chern-Simons理論であると特定された。
• 臨界的挙動は、2+1次元における発現的強い相互作用を示すクォーカーとグルーオンによって支配されており、低次元におけるQCDに類似している。
• ゲージ理論双対性の使用により、提案された臨界場理論に対する一貫性があり信頼できる証拠が得られた。
• 非アーベル的ねじれスピン液体相が、同じ臨界理論を通じてズイッグザッグ相および整列相へ連続的につながることが示された。
• キタエフ材料は、2+1次元における発現的量子色力学を調査する有望なテーブトッププラットフォームとして確立された。