[論文レビュー] Non-Fermi-liquid at (2+1)d ferromagnetic quantum critical point

Xiao Yan Xu, Kai Sun+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2016

Theoretical and Computational Physics被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、2次元フェルミ粒子系とイジング反強磁性臨界揺らぎを結合させた符号問題フリーな量子モンテカルロシミュレーションを提示し、T = 0.025にまで及ぶ超伝導秩序なしに連続的な移動的量子相転移を示した。量子臨界点において、フェルミ粒子の伝播関数に明確なフェルミ液体でない挙動が現れ、(2+1)dイジングおよびヘーツ＝ミルズ＝モリヤ予測とは異なる、新たな普遍性クラスを示している。

ABSTRACT

We construct a two-dimensional lattice model of fermions coupled to Ising ferromagnetic critical fluctuations. Using extensive sign-problem-free quantum Monte Carlo simulations, we show that the model realizes a continuous itinerant quantum phase transition. In comparison with other similar itinerant quantum critical points (QCPs), our QCP shows much weaker superconductivity tendency with no superconducting state down to the lowest temperature investigated, hence making the system a good platform for the exploration of quantum critical fluctuations. Remarkably, clear signatures of non-Fermi-liquid behavior in the fermion propagators are observed at the QCP. The critical fluctuations at the QCP partially resemble Hertz-Millis-Moriya behavior. However, careful scaling analysis reveals that the QCP belongs to a different universality class, deviating from both (2+1)d Ising and Hertz-Millis-Moriya predictions.

研究の動機と目的

• 移動的フェルミ粒子系における反強磁性量子相転移付近の量子臨界性の性質を調査すること。
• このような系において、超伝導不安定性が真の量子臨界点を隠しているかどうかを特定すること。
• フェルミ粒子の自己エネルギーとスピン感受率の分析を通じて、臨界点の普遍性クラスを同定すること。
• 競合秩序を抑制することで、フェルミ液体でない挙動を研究するクリアなプラットフォームを確立すること。
• ヘーツ＝ミルズ＝モリヤ理論および(2+1)dイジング予測の妥当性を、偏りのない数値シミュレーションで検証すること。

提案手法

• ギャップレスなイジング反強磁性臨界揺らぎと結合する2次元格子モデルの構築。
• 符号問題フリーな数値計算を実行するためのデターミナント量子モンテカルロ（QMC）シミュレーションの採用。
• フェルミ粒子のグリーン関数と自己エネルギーの分析により、フェルミ液体でない挙動の検出。
• 剛性KcおよびKsを用いた超伝導密度ρcおよびρsの測定により、超伝導不安定性の調査。
• フェルミ粒子スピン感受率χFの計算により、Q = (π, π)およびQ = (0, 0)における軟モードの同定。
• 有限サイズスケーリングおよび温度依存性解析により、平均場的および異常なスケーリング行動の区別。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イジング反強磁性臨界揺らぎと結合する2次元フェルミ粒子系において、連続的な移動的量子相転移が生じるか？
• RQ2 量子臨界点において超伝導不安定性が抑制され、臨界揺らぎのクリアな研究が可能になるか？
• RQ3 臨界点においてフェルミ粒子伝播関数にフェルミ液体でない挙動が現れるか？ もし現れるならば、その起源は何か？
• RQ4 量子臨界点の普遍性クラスは、ヘーツ＝ミルズ＝モリヤ理論または(2+1)dイジング理論と整合するか？
• RQ5 Q = (π, π)におけるフェルミ粒子バイリニアモードの軟モードが、フェルミ粒子自己エネルギーおよび準粒子性質に果たす役割は何か？

主な発見

• 超伝導秩序の兆候がT = 0.025にまで見られず、超伝導密度の測定により、系は連続的な移動的量子相転移を示した。
• 最大の系サイズにおいて、超伝導密度の和ρc + ρsは8/π T未満に保たれ、準長距離超伝導秩序の存在を示唆しない。
• フェルミ粒子自己エネルギーにおいてフェルミ液体でない挙動が観測され、|ImΣ(ωn)|がωnが小さくなるにつれて増加し、低周波数領域で1/ωnの発散と整合的である。
• フェルミ粒子スピン感受率は、Q = (0, 0)における主要な反強磁性揺らぎに加え、Q = (π, π)における軟モードを示しており、準粒子性質の変更に重要な役割を果たしている。
• 臨界揺らぎはヘーツ＝ミルズ＝モリヤ理論および(2+1)dイジング予測とは逸脱しており、量子臨界点に新たな普遍性クラスが存在することを示している。
• 自己エネルギーの周波数依存性は、符号が交互に変化する静的かつ空間的に一様なイジング揺らぎが自己エネルギーに1/ωnの周波数依存性をもたらすモデルと整合的である。