[論文レビュー] Fractional matter coupled to the emergent gauge field in a quantum spin ice

Victor Porée, Han Yan+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2023

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、超高分解能バックスキャッタリング中性子分光法を用いて、Ce2Sn2O7における三次元量子スピン液体において分数量子化されたスピンオン励起状態の直接的分光的証拠を提供した。観測されたギャップを持つスペクトルに複数のピークが存在し、量子スピンアイスのπフラックス相の理論的予測と一致しており、分数量子化物質と出現するゲージ場との強い結合を確認した。

ABSTRACT

Electronic spins can form long-range entangled phases of condensed matter named quantum spin liquids. Their existence is conceptualized in models of two- or three-dimensional frustrated magnets that evade symmetry-breaking order down to zero temperature. Quantum spin ice (QSI) is a theoretically well-established example described by an emergent quantum electrodynamics, with excitations behaving like photon and matter quasiparticles. The latter are fractionally charged and equivalent to the `spinons' emerging from coherent phases of singlets in one dimension, where clear experimental proofs of fractionalization exist. However, in frustrated magnets it remains difficult to establish consensual evidence for quantum spin liquid ground states and their fractional excitations. Here, we use backscattering neutron spectroscopy to achieve extremely high resolution of the time-dependent magnetic response of the candidate QSI material Ce$_2$Sn$_2$O$_7$. We find a gapped spectrum featuring a threshold and peaks that match theories for pair production and propagation of fractional matter excitations (spinons) strongly coupled to a background gauge field. The multiple peaks are a specific signature of the $\pi$-flux phase of QSI, providing spectroscopic evidence for fractionalization in a three-dimensional quantum spin liquid.

研究の動機と目的

• 三次元量子スピン液体における分数量子化励起状態の分光的証拠を確立すること。
• 量子スピンアイスにおいて、出現するU(1)ゲージ場に強く結合したスピンオンの動的性質を調べること。
• 特にπフラックス相を想定した理論的モデルを、高分解能中性子散乱を用いて検証すること。
• 理論的予測との定量的比較を通じて、Ce2Sn2O7における交換項パラメータ𝐽∥と𝐽±を特定すること。

提案手法

• µeVエネルギー分解能を達成したバックスキャッタリング中性子分光法を用いて、Ce2Sn2O7の測定を実施し、従来の研究と比べて10倍以上の分解能向上を達成した。
• 複数の温度で時間飛行（TOF）およびバックスキャッタリング中性子散乱データを取得し、非弾性磁気応答を分離した。
• 実験的スピンオン状態密度（DOS）を理論モデルにフィット：UdagawaとMoessnerの解析的二スピンオンDOSおよびMorampudiらのQEDに基づくモデル。
• Desrochers, Chern, Kimらのゲージ平均場理論の結果を用いて、πフラックス相におけるピーク位置と強度をモデル化した。
• χ²最小化法を用い、直接的な強度およびピーク位置の両方のフィットを通じて、𝐽∥、𝐽±、スピンオンギャップΔを抽出した。スケーリング係数𝑎を自由パrameterとして扱った。
• 運動量空間で統合し、長波長QEDモデルとの比較に用いる局所状態密度を算出した。 lattice定数𝑎0 = 10.6 × 10⁻¹⁰ m、𝛼 = 0.08、𝜉 = 0.51を固定パラメータとして用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三次元量子スピン液体に分数量子化されたスピンオン励起状態は存在するか？
• RQ2 Ce2Sn2O7で観測されたスペクトルは、量子スピンアイスのπフラックス相と整合的か？
• RQ3 超高分解能中性子分光法は、スピンオン対生成予測のギャップを持つ多ピーク構造を解像できるか？
• RQ4 分光的フィットにより、Ce2Sn2O7における有効交換項パラメータ𝐽∥と𝐽±はどのように特定されるか？
• RQ5 出現する量子電磁力学の理論的モデルは、量子スピンアイスにおける中性子散乱応答をどの程度よく記述できるか？

主な発見

• Ce2Sn2O7における測定された非弾性磁気応答は、ギャップを持つスペクトルに複数のピークを示し、量子スピンアイスのπフラックス相の理論的予測と一致した。
• UdagawaとMoessnerのモデルへの最良フィットから、𝐽∥ = 48 μeV、𝐽± = −5.2 μeVが得られ、リング交換項𝐽ring = 0.73 μeVが算出された。
• Desrochersらのゲージ平均場理論へのフィットでは、𝐽∥ = 69 μeV、𝐽± = −17 μeV、𝐽ring = 12.4 μeVが得られ、従来の仮定よりも強い量子揺らぎが示唆された。
• Udagawa-MoessnerのパラメータとQEDモデルを用いて、2Δ = 18 μeVのスピンオンギャップが抽出され、スペクトルの閾値と整合的であった。
• スペクトルに観測された複数ピーク構造は、πフラックス相の特徴的な分光的シグネイチャであり、三次元における分数量子化の直接的証拠を提供した。
• 複数の理論モデルと実験結果の良好な一致から、三次元量子スピン液体において、出現するゲージ場に強く結合した分数量子化スピンオンの存在が確認された。