[論文レビュー] Triplet resonating valence bond theory and transition metal chalcogenides

Elio J. König, Yashar Komijani+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 66被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、容易平面鉄磁性交換相互作用を有する量子スピン液体（QSL）に対して、S=1、mz=0の三重項結合を有する2次元格子のダイマー被覆を用いた三重項共鳴価鍵（tRVB）理論を提案する。大N極限におけるアブリコソフフェルミオンを用いた制御された平均場理論を展開し、ドーピングによって時間反転対称性破れのp+ip波超伝導が誘発されることを示し、1T-TaS2およびCrXTe3 chalcogenidesにおける提案されたtRVB行動の微視的説明を提供する。

ABSTRACT

We develop a quantum spin liquid theory for quantum magnets with easy-plane ferromagnetic exchange. These strongly entangled quantum states are obtained by dimer coverings of 2D lattices with triplet $S = 1, m_z = 0$ bonds, forming a triplet resonating valence bond (tRVB) state. We discuss the conditions and the procedure to transfer well-known results from conventional singlet resonating valence bond theory to tRVB. Additionally, we present mean field theories of Abrikosov fermions on 2D triangular and square lattices, which can be controlled in an appropriate large $N$ limit. We also incorporate the effect of charge doping which stabilizes $p+ip$-wave superconductivity. Beyond the pure theoretical interest, our study may help to resolve contradictory statements on certain transition metal chalcogenides, including 1T-TaS$_2$, as a potential tRVB spin-liquid.

研究の動機と目的

• 容易平面鉄磁性交換相互作用を有する量子スピン系における三重項共鳴価鍵（tRVB）状態の理論的枠組みを構築すること。
• ダイマー被覆および共鳴結合の概念をS=1、mz=0の三重項結合に適応することで、従来のスピン1/2単重項RVB理論を三重項状態に拡張すること。
• 大N極限における三角格子および正方形格子上のアブリコソフフェルミオンを用いた制御された平均場理論を構築すること。
• tRVB状態に対する電荷ドーピングの影響を調査し、p+ip波超伝導の出現を予測すること。
• 1T-TaS2およびCrXTe3が潜在的tRVBスピン液体候補として報告される実験的矛盾を解消すること。

提案手法

• 2次元格子上におけるS=1、mz=0の三重項結合を有するダイマー被覆の量子重ね合わせとしてtRVB波動関数を定式化する。
• ゲージ不変性およびtRVB状態におけるトポロジカル秩序を保証することで、単重項RVB概念を三重項状態に適応する。
• スピン系をフェルミオン的平均場ハミルトニアンに写像するためにアブリコソフフェルミオン表現を用いる。
• 三角格子および正方形格子上で大N展開を実施し、平均場理論を制御する。
• 温度およびホールドーピングδの関数としての平均場相図を導出し、p+ip超伝導相を含む。
• 大N極限を用いてtRVB状態を安定化させ、その安定性および出現するペアリング対称性を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鉄磁性交換相互作用を有する状態において、三重項共鳴価鍵（tRVB）を有する量子スピン液体が存在可能か？
• RQ2 広く知られた単重項RVB理論を、S=1、mz=0結合を有する三重項スピン液体状態を記述するためにどのように一般化できるか？
• RQ3 大N極限におけるアブリコソフフェルミオン平均場理論によって記述されるとき、tRVB状態は三角格子および正方形格子上でどのような性質を示すか？
• RQ4 ホールドーピングはtRVB状態にどのような影響を及ぼし、どのような超伝導相が出現するか？
• RQ5 tRVB理論は、1T-TaS2およびCrXTe3が潜在的量子スピン液体候補として報告される実験的矛盾を説明できるか？

主な発見

• tRVB状態は、三重項S=1、mz=0結合を有するダイマー被覆の量子重ね合わせとして構成され、トポロジカルに秩序された、対称性を保つ量子スピン液体を形成する。
• 三角格子および正方形格子上におけるアブリコソフフェルミオン平均場理論は大N極限で制御可能であり、tRVB相の解析的解析が可能になる。
• 有限温度における平均場相図は、ホールドーピングによりp+ip波超伝導相が出現することを示し、超伝導性の臨界ドーピング閾値が存在する。
• tRVB状態はスピンオンフェルミ表面を示し、1T-TaS2における線形T依存熱伝導率および有限のスマレルト係数と整合する。
• 理論は、1T-TaS2およびCrXTe3における観測されたパラ磁性でスピン液体的挙動を微視的に説明し、交換相互作用Jの符号に関する矛盾する報告を統合する。
• モデルはドーピングにより時間反転対称性破れのp+ip超伝導が出現することを予測し、4H-TaS2における最近の観測と整合する。