[論文レビュー] Spinon waves in magnetized spin liquids

Leon Balents, Oleg A. Starykh|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2019

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、微小なゼーマン場下における2次元U(1)フェルミ表面スピン液体における横方向の動的スピン感受率を調査し、短距離相互作用が二スピンオン連続体以下の新しいスピンオンスピンモードを生成することを示している。一方、ゲージ揺らぎは連続体外での非ゼロのべき乗則的重みと、運動量の二乗に比例する寿命を引き起こす。これらの効果はスピン励起スペクトルを再構築し、量子スピン液体における非弾性中性子散乱、ESR、RIXSの統一的理論を可能にする。

ABSTRACT

We study the transverse dynamical spin susceptibility of the two dimensional U(1) Fermi surface spin liquid in a small applied Zeeman field. We show that both short-range interactions, present in a generic Fermi liquid, as well as gauge fluctuations, characteristic of the U(1) spin liquid, qualitatively change the result based on the frequently assumed non-interacting approximation. Short-range interaction leads to a new collective mode: a spinon spin which splits off from the two-spinon continuum at small momentum and disperses downward. Gauge fluctuations renormalize the susceptibility, providing non-zero power law weight in the region outside the continuum and giving the spin wave a finite lifetime, which scales as momentum squared. We also study the effect of Dzyaloshinskii-Moriya anisotropy on the zero momentum susceptibility, which is measured in electron spin resonance (ESR), and obtain a resonance linewidth linear in temperature and varying as $B^{2/3}$ with magnetic field $B$ at low temperature. Our results form the basis for a theory of inelastic neutrons scattering, ESR, and resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) studies of this quantum spin liquid state.

研究の動機と目的

• 弱いゼーマン場下における2次元U(1)フェルミ表面スピン液体における短距離相互作用とゲージ揺らぎが横方向スピン感受率に与える影響を理解すること。
• 多体効果を組み込むことで、非相互作用モデルと現実のスピン液体行動の間の矛盾を解消すること。
• 量子スピン液体における非弾性中性子散乱、電子スピン共鳴（ESR）、および共鳴型非弾性X線散乱（RIXS）データの解釈のための理論的枠組みを提供すること。
• ジャローシュキンスキー＝モリヤ異方性がゼロ運動量スピン感受率に与える影響、およびその温度依存性と磁場依存性を分析すること。

提案手法

• U(1)スピン液体フレームワーク内での場の理論的手法を用いて横方向動的スピン感受率を分析する。
• フェルミ液体に類似した有効理論を用いて短距離相互作用を導入し、スピンオン分散およびスペクトル重みへの補正を導出する。
• 自己エネルギー補正を通じてゲージ揺らぎを組み込み、スピン感受率の再正規化と有限寿命効果を導入する。
• 低エネルギー有効作用を適用してゼロ運動量感受率とその温度および磁場依存性を計算する。
• ジャローシュキンスキー＝モリヤ相互作用を摂動項として用いて、ESR線幅および磁場依存性への影響を検討する。
• 摂動的ランゲル・グローバル化群技術を用いて、スピン波の寿命およびスペクトル重みの運動量および温度依存性を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 短距離相互作用は、非相互作用近似を超えてU(1)スピン液体におけるスピン励起スペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ2 ゲージ揺らぎは、スペクトル重みの再分配とスピンオンモードの有限寿命の導入に果たす役割は何か？
• RQ3 ジャローシュキンスキー＝モリヤ異方性は、ゼロ運動量スピン感受率およびESR共鳴線幅にどのように影響を与えるか？
• RQ4 低温領域におけるESR線幅の温度および磁場依存関数形はどのようなものか？
• RQ5 相互作用とゲージ揺らぎの併存効果は、非弾性中性子散乱およびRIXSデータの解釈にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 短距離相互作用により、小さな運動量において二スピンオン連続体から分離し、下方に分散する新しい集団モード（スピンオンスピン）が生成される。
• ゲージ揺らぎはスピン感受率を再正規化し、かつて禁じられていた領域に非ゼロのべき乗則的重みを導入し、スピン波に運動量の二乗に比例する有限寿命をもたらす。
• ESR共鳴線幅は低温領域で温度に線形依存し、磁場Bに対してB^{2/3}に比例する。
• 相互作用とゲージ揺らぎの併存効果により、非相互作用スピンオンモデルでは捉えきれない修正されたスピン励起スペクトルが得られる。
• 本理論は、U(1)スピン液体状態における非弾性中性子散乱、ESR、RIXS実験を統一的に解釈するためのフレームワークを提供する。