[論文レビュー] Signatures of Quantum Spin Liquid in Kitaev-like Frustrated Magnets

Matthias Gohlke, Gideon Wachtel+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2017

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、無限次元密度行列縮約法（iDMRG）を用いて、ヘキサゴナル格子上のキタエフ-$\Gamma$モデルにおける量子スピン液体（QSL）相を調査する。2粒子励起スペクトルが明確な2次元分散を示し、$\alpha$-RuCl$_3$からの neutron 散乱データと一致する動的構造因子を得ており、これによりQSL基底状態の強力な証拠が得られた。これはマヨラナ平均場理論の予測を支持する。

ABSTRACT

Motivated by recent experiments on $\alpha$-RuCl$_3$, we investigate a possible quantum spin liquid ground state of the honeycomb-lattice spin model with bond-dependent interactions. We consider the $K-\Gamma$ model, where $K$ and $\Gamma$ represent the Kitaev and symmetric-anisotropic interactions between spin-1/2 moments on the honeycomb lattice. Using the infinite density matrix renormalization group (iDMRG), we provide compelling evidence for the existence of quantum spin liquid phases in an extended region of the phase diagram. In particular, we use transfer matrix spectra to show the evolution of two-particle excitations with well-defined two-dimensional dispersion, which is a strong signature of quantum spin liquid. These results are compared with predictions from Majorana mean-field theory and used to infer the quasiparticle excitation spectra. Further, we compute the dynamical structure factor using finite size cluster computations and show that the results resemble the scattering continuum seen in neutron scattering experiments on $\alpha$-RuCl$_3$. We discuss these results in light of recent and future experiments.

研究の動機と目的

• ヘキサゴナル格子上のキタエフ-$\Gamma$モデルにおける、結合依存性相互作用を有する量子スピン液体（QSL）相の存在を調査すること。
• $\alpha$-RuCl$_3$ に関連するフラストレーションしたスピン系における低エネルギー励起の性質を理解すること。
• 数値結果をマヨラナ平均場理論の予測と比較し、準粒子スペクトルを推定すること。
• 実験的 neutron 散乱データに類似した動的構造因子をシミュレートし、解釈すること。
• 最近のおよび今後の $\alpha$-RuCl$_3$ に関する実験を解釈するための理論的指針を提供すること。

提案手法

• 無限大のヘキサゴナル格子上におけるキタエフ-$\Gamma$モデルの基底状態を調査するため、無限次元密度行列縮約法（iDMRG）の適用。
• 2粒子励起の分析とその2次元的分散関係の抽出のため、転送行列スペクトルの使用。
• 有限サイズのクラスタ計算を用いて、中性子散乱実験と比較可能な動的構造因子を計算。
• 数値結果をマヨラナ平均場理論の予測と比較し、準粒子励起スペクトルを推定。
• QSL行動を支持する領域を特定するための相図の体系的探索。
• スピン液体物理学の主要因とされる結合依存性キタエフ相互作用および対称的非等方的 $\Gamma$ 相互作用の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘキサゴナル格子上のキタエフ-$\Gamma$モデルは、その相図の広い領域において量子スピン液体基底状態を支持するか？
• RQ2 仮定される量子スピン液体相における2粒子励起スペクトルの性質は何か？
• RQ3 数値的に計算された動的構造因子は、$\alpha$-RuCl$_3$ からの実験的 neutron 散乱データとどの程度一致するか？
• RQ4 数値結果はマヨラナ平均場理論の予測とどの程度一致するか？
• RQ5 フラストレーションした磁性体における量子スピン液体を同定するための励起スペクトルおよび動的応答のどの特徴が指標となるか？

主な発見

• iDMRGの結果は、キタエフ-$\Gamma$モデルの相図の広い領域に量子スピン液体相が存在することを強く示唆する。
• 2粒子励起は明確な2次元的分散関係を示し、これは量子スピン液体の主要な特徴である。
• 転送行列スペクトルは、これらの励起の進化を明らかにし、ギャップなしまたはギャップありのスピン液体行動の存在を支持する。
• 計算された動的構造因子は、$\alpha$-RuCl$_3$ における中性子散乱実験で観測されたものと類似した散乱連続体を示している。
• 結果はマヨラナ平均場理論と整合しており、分数量子化されたマヨラナフェルミオン励起の存在を示唆する。
• 量子スピン液体行動が最も安定するパラメータ領域を同定し、今後の実験に向けた検証可能な予測を提示した。