[論文レビュー] Proximate deconfined quantum critical point in SrCu2(BO3)2

Yi Cui, Lu Liu+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、高圧および磁場下におけるSrCu2(BO3)2における11B NMRを用いて、2.4 GPaで近接する脱コンfinメント量子臨界点（DQCP）の実験的証拠を提供している。量子臨界スケーリングおよび臨界点近傍における顕在的O(3)対称性が観測された。プラケット singlet から反強磁性秩序への遷移は、第一順位の性質が弱まり、臨界揺らぎを示す。これは、分数化励起状態およびランダウ＝ギンツブルグ＝ウィルソン理論を超える顕在的対称性を示すDQCPシナリオを支持する。

ABSTRACT

The deconfined quantum critical point (DQCP) represents a paradigm shift in quantum matter studies, presenting a "beyond Landau" scenario for order--order transitions. Its experimental realization, however, has remained elusive. Using high-pressure $^{11}$B NMR measurements on the quantum magnet SrCu$_2$(BO$_3$)$_2$, we here demonstrate a magnetic-field induced plaquette-singlet to antiferromagnetic transition above 1.8 GPa at a remarkably low temperature, $T_{ m c}\simeq 0.07$ K. First-order signatures of the transition weaken with increasing pressure, and we observe quantum critical scaling at the highest pressure, 2.4 GPa. Supported by model calculations, we suggest that these observations can be explained by a proximate DQCP inducing critical quantum fluctuations and emergent O(3) symmetry of the order parameters. Our findings take the DQCP from a theoretical concept to a concrete experimental platform.

研究の動機と目的

• 従来のランダウ理論が不適切となる量子スピン系において、脱コンフィンメント量子臨界点（DQCP）の実験的兆候を特定すること。
• SrCu2(BO3)2におけるプラケット singlet と反強磁性秩序の間の磁場および圧力誘起量子相転移を調査すること。
• 高分解能11B NMRを用いて、仮説的なDQCPに近接する領域におけるO(3)対称性の顕在化および量子臨界スケーリングを調べること。
• 観測された遷移が、分数化励起状態を示す連続的量子臨界点の性質を示しているかどうかを特定すること。
• 理論的予測と測定可能な量子臨界現象を結びつけることで、DQCPの明確な実験的プラットフォームを確立すること。

提案手法

• 2.4 GPaまで圧力をかけ、磁場は15 Tまで印加した状態で、SrCu2(BO3)2における高圧11B核磁気共鳴（NMR）測定を実施した。
• 温度および磁場の関数としてのスピン格子緩和率（1/T1）を測定し、量子臨界揺らぎを調べた。
• 11B NMRシフトおよび緩和の温度依存性を解析し、スピンギャップおよび動的スピン磁化率を抽出した。
• 量子モンテカルロシミュレーションおよびモデル計算を用いて、NMRデータの解釈を行い、DQCPシナリオを支持した。
• NMRのシグナルおよび磁化ジャンプを用いて、プラケット singlet と反強磁性相の間の相境界をマッピングした。
• シミュレーションからの秩序パラメータヒストグラムを解析し、臨界点近傍での顕在的O(3)対称性の検出を試みた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧下におけるSrCu2(BO3)2の磁場誘起遷移が、連続的相転移を示す量子臨界スケーリングを示すか？
• RQ2 弱まった第一順位の性質および顕在的O(3)対称性といった実験的兆候が、量子臨界領域で観測可能か？
• RQ3 観測された臨界行動が、従来の第一順位転移ではなく、脱コンフィンメント量子臨界点（DQCP）に一致するか？
• RQ4 磁場下における顕在的O(4)対称性の減少が、O(3)対称性に至る過程でDQCPの力学を安定化させる役割を果たすか？
• RQ5 DQCPシナリオは実際に物質で実現可能であり、どのような測定可能な兆候を生じるか？

主な発見

• 2.4 GPa下で、Tc ≈ 0.07 Kの領域でプラケット singlet から反強磁性秩序への磁場誘起遷移が観測され、スピン格子緩和率に量子臨界スケーリングが見られた。
• 圧力が上昇するにつれて、遷移における第一順位の不連続性が弱まり、連続的臨界点への抑制が示唆された。
• 2.4 GPaで、T > Tcの領域において1/T1の量子臨界スケーリングが観測され、臨界量子揺らぎの存在が支持された。
• モデル計算からの秩序パラメータヒストグラムは、顕在的O(3)対称性を示し、DQCPシナリオと整合的であった。
• 観測された臨界行動は、零磁場下でのO(4)対称性を持つマルチ臨界点に近づく近接DQCPとして解釈された。
• 小さな磁化ジャンプおよびプラケット singlet と反強磁性の特徴の共存は、エネルギー障壁のない秩序パラメータの回転経路を示しており、DQCPの力学と整合的であった。