[論文レビュー] Witnessing quantum criticality and entanglement in the triangular antiferromagnet KYbSe$_2$

Allen Scheie, E. A. Ghioldi+21 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2021

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、非弾性中性子散乱を用いて、2次相転移に近い量子スピン液体候補物質KYbSe₂の、鋭い下限を持つ拡散連続体を明らかにした。エンタングルメント・ウイtnessとシュヴィンガー・ボソン理論により、顕著なマルチパーティクル・エンタングルメントとZ₂スピン液体に近い状態が確認され、三角格子ヘイゼンベルグ模型の量子臨界性近傍における長年の理論的論争が解消された。

ABSTRACT

The Heisenberg triangular lattice quantum spin liquid and the phase transitions to nearby magnetic orders have received much theoretical attention, but clear experimental manifestations of these states are rare. This work investigates a new spin-half Yb$^{3+}$ delafossite material, KYbSe$_2$, whose inelastic neutron scattering spectra reveal a diffuse continuum with a sharp lower bound. Applying entanglement witnesses to the data reveals significant multipartite entanglement spread between its neighbors, and analysis of its magnetic exchange couplings shows close proximity to the triangular lattice Heisenberg quantum spin liquid. Key features of the data are reproduced by Schwinger-boson theory and tensor network calculations with a significant second-neighbor coupling $J_2$. The strength of the dynamical structure factor at the $K$ point shows a scaling collapse in $\hbarω/k_\mathrm{B}T$ down to 0.3 K, indicating a second-order quantum phase transition. Comparing this to previous theoretical work suggests that the proximate phase at larger $J_2$ is a gapped $\mathbb{Z}_2$ spin liquid, resolving a long-debated issue. We thus show that KYbSe$_2$ is close to a spin liquid phase, which in turn sheds light on the theoretical phase diagram itself.

研究の動機と目的

• 三角反強磁性体KYbSe₂における量子スピン液体の実験的兆候を同定すること。
• KYbSe₂が量子臨界点を有し、長距離にわたる量子エンタングルメントを示すかどうかを特定すること。
• 第二近接相互作用を有する三角格子ヘイゼンベルグ模型における相転移の性質に関する理論的論争を解決すること。
• 非弾性中性子散乱からの実験データと理論的モデル（シュヴィンガー・ボソンおよびテンソルネットワーク）を照合すること。
• 実験的観察と、量子臨界性に近いギャップのあるZ₂スピン液体相の存在との直接的な関連を確立すること。

提案手法

• 0.3 Kにまで冷却したKYbSe₂単結晶を用い、動的スピン相関を調べるために非弾性中性子散乱（INS）を実施した。
• 測定された動的構造因子にエンタングルメント・ウイtnessを適用し、最近隣接するYb³⁺スピン間のマルチパーティクル量子エンタングルメントを定量的に評価した。
• オンサガー反応場（ORF）フィッティングを用いて、最近接（J₁）および第二近接（J₂）の反強磁性相互作用を抽出した。
• シュヴィンガー・ボソン平均場理論を用いてスピン励起スペクトルをシミュレートし、実験データと比較することで、等方性およびJ₂依存性を検証した。
• テンソルネットワーク計算を用いてスピン液体の挙動をモデル化し、Z₂スピン液体相の存在を検証した。
• 0.3 Kまで低下するℏω/kBTにおける動的構造因子のスケーリング・コラプスを分析し、2次相転移の量子臨界性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 KYbSe₂は、拡散連続体および長距離磁気秩序の欠如といった、量子スピン液体の兆候を示すか？
• RQ2 KYbSe₂における量子相転移の性質は何か？ 2次臨界性を示すか？
• RQ3 KYbSe₂にはどの程度のマルチパーティクル・エンタングルメントが存在し、それが実験的に検出可能か？
• RQ4 測定された交換相互作用（J₁およびJ₂）は、三角格子ヘイゼンベルグ模型の理論的相図においてKYbSe₂をどのように位置づけるか？
• RQ5 KYbSe₂の近接相は、理論で予測されたギャップのあるZ₂スピン液体か？

主な発見

• KYbSe₂の非弾性中性子散乱スペクトルは、ギャップレスなスピンオン様励起を示す鋭い下限を持つ拡散連続体を示した。
• データにエンタングルメント・ウイtnessを適用した結果、最近隣接するYb³⁺スピン間に顕著なマルチパーティクル・エンタングルメントが確認され、非常にエンタングルされた基底状態であることが確認された。
• K点における動的構造因子は、0.3 Kまでℏω/kBTでスケーリング・コラプスを示し、2次相転移の強い証拠となった。
• オンサガー反応場フィッティングにより、J₁ = 2.33(10) KおよびJ₂ = 0.11(2) Kが得られ、わずかではあるが非ゼロの第二近接相互作用が量子臨界性を安定化させていることが示された。
• シュヴィンガー・ボソンおよびテンソルネットワーク計算は、実験データをJ₂ ≈ 0.11 Kの有限値で最もよく再現したため、臨界点近くにギャップのあるZ₂スピン液体相が存在することを支持した。
• 高分解能データにおけるK点でのギャップモードの不在は、最近接相互作用の異方性が顕著でないことを確認し、ほぼヘイゼンベルグ的等方性を裏付けた。