[論文レビュー] Fragility of the nematic spin liquid induced by diagonal couplings in the square-lattice SU(3) model

Xiaotian Zhang, Wen-Jun Hu+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2021

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 50被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、正方格子上のスピン-1 SU(3)模型におけるネミックスピン液体の安定性を、大規模な密度行列密度行列縮約法（DMRG）シミュレーションを用いて調査する。双極子格子構造を破る対角的次近隣相互作用を導入することで、わずかでもその相互作用が存在するだけで三準位格子磁気秩序が誘発されることが判明した。これは、ネミックスピン液体が二準位格子と三準位格子の揺らぎの競合に起因するものであり、非常に壊れやすく、安定性に欠けることを示している。

ABSTRACT

We present a large-scale density matrix renormalization group (DMRG) study of the spin-$1$ SU(3) bilinear-biquadratic model on the square lattice, which was suggested to host a nematic spin liquid state in recent DMRG calculations. We report that this spin liquid appears to strongly compete with a three-sublattice magnetic order. To further study the competition between the two states, and the reason of the emergent nematic spin liquid, we included an additional next-nearest-neighbor SU(3) symmetric interactions along one of the two plaquette diagonal directions. This allows to tune the square-lattice model to the triangular-lattice model. By computing spin correlation functions and various order parameters, we find that the three-sublattice order may develop at infinitesimal additional new coupling, at least within the precision of our study. Compared with the previous findings that the nematic spin liquid is stable in extended parameter regions with additional couplings that respect the lattice symmetries of the square lattice, we argue that here the diagonal couplings, which frustrate the bipartite-lattice structure, rapidly suppress the two-sublattice fluctuations and the three-sublattice order thus wins. This numerical result is consistent with the conjecture that the nematic spin liquid emerges from the competition between two- and three-sublattice fluctuations.

研究の動機と目的

• 正方格子上のスピン-1 SU(3)双一次・双二次模型におけるネミックスピン液体相の安定性を調査すること。
• 格子対称性とフラストレーションが特異な量子相を安定化する役割を果たすメカニズムを理解すること。
• 双極子格子構造を破る対角的次近隣相互作用が、ネミックスピン液体と磁気秩序の競合に与える影響を検討すること。
• ネミックスピン液体の起源が、二準位格子と三準位格子の揺らぎの競合に起因することを明確にすること。

提案手法

• x方向に開放的境界条件、y方向に周期的境界条件をとるシリンダーゲオメトリに適用した大規模な密度行列縮約法（DMRG）シミュレーション。
• 一つの対角方向（ex+y）に沿った次近隣SU(3)対称相互作用を含め、正方格子模型と三角格子模型の間を滑らかに接続する。
• スピン相関関数とさまざまな秩序パラメータの計算により、ネミックスピン液体と三準位格子磁気秩序を区別する。
• 対角的相互作用の強さをゼロ（正方格子）から有限値（三角格子）へと変化させ、相の競合を調査する。
• 三準位格子構造に一致するように境界条件をずらしたDMRGを用い、先行研究と比較可能にする。
• 極めて微小な対角的相互作用に対する系の応答を分析し、ネミックスピン液体の安定性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 正方格子SU(3)模型におけるネミックスピン液体状態は、対角的次近隣相互作用が導入されても安定したままであるか？
• RQ2 双極子格子構造を破る対角的相互作用が、二準位格子と三準位格子の揺らぎの競合に与える影響は何か？
• RQ3 極めて微小な対角的相互作用が、系に三準位格子磁気秩序を誘発できるか？
• RQ4 なぜスピン-1 SU(3)模型の正方格子上ではネミックスピン液体が競合状態として出現するのか？
• RQ5 対角的相互作用を含めることで、正方格子対称性を保つ対称的相互作用と比較して、相図はどのように変化するか？

主な発見

• ネミックスピン液体状態は、対角的次近隣相互作用に対して極めて壊れやすく、微小な相互作用強度でも三準位格子磁気秩序が発現する。
• 対角的相互作用の導入により双極子格子構造が破られ、二準位格子揺らぎが急速に抑制され、三準位格子秩序が優位になる。
• 非常に小さな対角的相互作用に対しても三準位格子秩序パラメータが増加するため、二つの揺らぎチャネルの強い競合が示唆される。
• 結果は、ネミックスピン液体が二準位格子と三準位格子の揺らぎの競合に起因するという仮説を支持する。
• ネミックスピン液体の脆さは、格子対称性の喪失とそれに伴う三準位格子揺らぎの増幅に起因する。
• 本研究は、ネミックスピン液体が三準位格子秩序を好む対称性破れ摂動に対しては頑健でないことを確認した。