[論文レビュー] Quantum phase transition from an antiferromagnet to a spin liquid in a metal

Tarun Grover, T. Senthil|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Oct 7, 2009

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、Kondo-Heisenberg格子系における反強磁性金属からスピン液体への量子臨界現象を調査し、パラメトリック相が分数量化されたフェルミ液体（FL*）である場合、臨界性が強く結合されており、非自明なスケーリングを示すことを示している。これは、従来のHertz-Millis理論とは異なり、臨界スピン揺らぎは導電電子の性質に対して補助的寄与にとどまり、量子臨界点においても電子準粒子が明確に定義されたままである。

ABSTRACT

We study quantum phase transitions from easy-plane antiferromagnetic metals to paramagnetic metals in Kondo-Heisenberg lattice systems. If the paramagnetic metal is a fractionalized Fermi liquid then the universal critical properties of the phase transition are unaffected for a weak Kondo coupling even when the Fermi surface intersects the magnetic zone boundary. This is in striking contrast to the conventional theory of phase transitions between paramagnetic and antiferromagnetic metals where any Kondo coupling is strongly relevant, and leads to a Landau-damped `Hertz-Millis' theory. The electron quasi-particle remains well-defined in the quantum critical regime and the critical spin fluctuations only contribute subleading corrections to the various properties of conduction electrons.

研究の動機と目的

• 磁気秩序が破壊され、局所スピンが量子スピン液体を形成するKondo-Heisenberg系における量子相転移の性質を理解すること。
• パラメトリック相として分数量化フェルミ液体（FL*）が存在する場合、従来のHertz-Millis理論と比較して臨界挙動がどのように変化するかを調査すること。
• フェルミ面が磁気ゾーン境界と交差する状況において、FL*状態の下でKondo結合が量子臨界点で無関係であるかどうかを特定すること。
• 量子臨界点近くにおける準粒子性質に及ぼす臨界スピン揺らぎの影響を分析すること。

提案手法

• 導電電子（Hc）、Kondo結合（HK）、局所スピン相互作用（Hint）を含むKondo-Heisenbergハミルトニアンを定式化し、系のモデル化を行う。
• 場の理論的手法を用いて相転移を分析し、臨界スピン揺らぎによる導電電子グリーン関数の自己エネルギー補正に注目する。
• スピンボソンおよびフェルミ・ボーズ統計から得られる虚部を基に、自己エネルギーの実部をKramers-Kronig関係を用いて計算する。
• フェルミ面と磁気波数ベクトルQが接するホットスポット近傍での運動量空間積分を実行し、角度分解（q∥, q⊥）を用いて臨界寄与を分離する。
• 絶対零度および有限温度での自己エネルギーを評価し、周波数ωおよび温度Tにおけるべき乗則スケーリングを抽出する。
• 自己エネルギーのスケーリング形を用いて、準粒子残留数が有限のままであることを示し、臨界揺らぎがあっても準粒子が明確に定義されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パラメトリック相が分数量化フェルミ液体（FL*）である場合、反強磁性金属からスピン液体への量子相転移の臨界挙動は、どのように変化するか？
• RQ2 フェルミ面が磁気ゾーン境界と交差するFL*状態において、Kondo結合が量子臨界領域で果たす役割は何か？
• RQ3 FL*相における臨界スピン揺らぎは、導電電子準粒子を強く減衰させるのか、それとも依然として明確に定義されたままであるのか？
• RQ4 この状況下で、量子臨界点近くにおける導電電子の自己エネルギーは周波数ωおよび温度Tとどのようにスケーリングするか？
• RQ5 FL*相においてスピン揺らぎスペクトルがω/Tスケーリングを示すか？これは非フェルミ液体臨界性を示唆するか？

主な発見

• 弱いKondo結合に対しても、量子相転移は依然として強く結合されており、スピン揺らぎスペクトルにおけるω/Tスケーリングを含む非自明なスケーリングを示す。
• 自己エネルギーの虚部が|ω|^η（η > 0）とスケーリングすることから、準粒子残留数が有限のままであるため、量子臨界点においても電子準粒子は明確に定義されたままである。
• 臨界スピン揺らぎは、導電電子の性質に対して補助的寄与にとどまり、Landau減衰を伴うHertz-Millis理論とは対照的である。
• 有限温度では、ホットスポットにおける自己エネルギーの虚部がT^ηとスケーリングすることから、臨界領域でフェルミ液体行動が破綻していることが確認される。
• ホットスポットから離れた領域では、|k - k₀| ≲ T/c でない限り、低周波数で自己エネルギーは消えるため、臨界効果はフェルミ面のホットスポット付近に局在している。
• ホットスポット近くにおける自己エネルギーの実部がJ_K²(−ωΛ^(η−1) + ω^η)とスケーリングすることから、準粒子分散は臨界揺らぎによって変更されるが、破壊されはしないことが確認される。