[논문 리뷰] Deconfined quantum critical point lost in pressurized SrCu2(BO3)2

Jing Guo, Pengyu Wang외 12명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 31.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 압력이 가해진 SrCu2(BO3)2에서 플라킷트 스펙터(PS) 상과 반자성(AF) 상 사이의 양자臨계전이가 디컨피너드 양자臨계점(DQCP)이 아니라 일계 전이임을 실험적으로 입증함으로써 수십 년에 걸친 논란을 해결했다. 고압 열용량 측정 결과, 일계 전이와 압력에 의해 유도된 이중임계점이 존재하는 것으로 나타났으며, 이는 연속적인 DQCP가 존재한다는 이론적 예측과 배치되며 최근의 양자 얽힘 분석 결과와 일치한다.

ABSTRACT

In the field of correlated electron materials, the relation between the resonating spin singlet and antiferromagnetic states has long been an attractive topic for understanding of the interesting macroscopic quantum phenomena, such as the ones emerging from magnetic frustrated materials, antiferromagnets and high-temperature superconductors. SrCu2(BO3)2 is a well-known quantum magnet, and it is theoretically expected to be the candidate of correlated electron material for clarifying the existence of a pressure-induced deconfined quantum critical point (DQCP), featured by a continuous quantum phase transition, between the plaquette-singlet (PS) valence bond solid phase and the antiferromagnetic (AF) phase. However, the real nature of the transition is yet to be identified experimentally due to the technical challenge. Here we show the experimental results for the first time, through the state-of-the-art high-pressure heat capacity measurement, that the PS-AF phase transition of the pressurized SrCu2(BO3)2 at zero field is clearly a first-order one. Our result clarifies the more than two-decade long debates about this key issue, and resonates nicely with the recent quantum entanglement understanding that the theoretically predicted DQCPs in representative lattice models are actually a first-order transition. Intriguingly, we also find that the transition temperatures of the PS and AF phase meet at the same pressure-temperature point, which signifies a bi-critical point as those observed in Fe-based superconductor and heavy-fermion compound, and constitutes the first experimental discovery of the pressure-induced bi-critical point in frustrated magnets. Our results provide fresh information for understanding the evolution among different spin states of correlated electron materials under pressure.

연구 동기 및 목표

• 압력 하에서 SrCu2(BO3)2가 디컨피너드 양자臨계점(DQCP)을 갖는지 여부에 대한 오랜 논란을 해결하기 위해.
• SrCu2(BO3)2에서 플라킷트 스펙터(PS) 벨런스 결합 고체 상과 반자성(AF) 상 사이의 진짜 양자臨계전이의 성격을 규명하기 위해.
• 압력 조건에서 PS와 AF 전이 선이 만날 수 있는 이중임계점의 존재를 조사하기 위해.
• 최근 이론적 통찰력에 대한 실험적 검증을 제공하기 위해, 즉 DQCP가 격자 모델에서 실제로 일계 전이임을 시사하는 것.

제안 방법

• PS-AF 전이 영역에서의 열역학적 거동을 탐색하기 위해 단결정 SrCu2(BO3)2를 10 GPa까지 고압에서 열용량 측정을 수행하였다.
• 내재된 양자臨계전이를 분리하기 위해 자장이 없는 조건에서 측정을 수행하였다.
• 전이점 근처에서 열용량의 발산성과 불연속성을 분석하여 전이의 계급을 분류하였다.
• 여러 압력에서의 전이 온도를 식별함으로써 압력-온도 상전이도를 구성하였다.
• 일계 전이와 DQCP에 대한 이론적 기대와 데이터를 비교하였다.
• PS와 AF 전이 선이 한 개의 압력-온도 점에서 융합됨으로써 이중임계점 존재 여부를 유추하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압력 하에서 SrCu2(BO3)2의 플라킷트 스펙터 상과 반자성 상 사이의 양자臨계전이는 연속적인 디컨피너드 양자臨계점(DQCP)인지, 아니면 일계 전이인지?
• RQ2 압력-온도 평면에서 PS와 AF 전이 선이 한 점에서 만날 수 있는가, 즉 이중임계점이 존재하는가?
• RQ3 실험 결과는 최근 이론적 예측과 어떻게 비교되는가? 즉, 격자 모델에서 DQCP는 실제로 일계 전이임을 시사하는가?
• RQ4 이 불안정한 양자 스핀 망원에서 상전이의 진정한 성격을 결정하는 데 있어 양자 얽힘의 역할은 무엇인가?
• RQ5 고압 열용량 측정은 SrCu2(BO3)2의 상도에 오랫동안 애매하게 남아 있던 문제를 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 자장이 없는 조건에서 SrCu2(BO3)2의 PS-AF 전이는 전이 온도에서 열용량의 급격한 불연속성으로 인해 명백히 일계 전이임이 입증되었다.
• PS 상의 전이 온도와 AF 상의 전이 온도가 한 개의 압력-온도 점에서 수렴함으로써 압력에 의해 유도된 이중임계점이 존재함을 시사한다.
• 이 이중임계점은 불안정한 양자 스핀 망원에서 처음으로 실험적으로 관측된 사례이다.
• 실험 결과는 SrCu2(BO3)2에서 DQCP 존재를 반박하며 최근 이론적 발견과 일치한다. 즉, 이러한 DQCP는 실제로 일계 전이임을 시사한다.
• 이론적 분석 결과와 일치하며, 대표적인 격자 모델에서 예측된 DQCP는 불안정하여 일계 전이로 붕괴됨을 시사한다.
• 이 연구는 이 표준 양자 스핀 망원에서 상전이 성격에 대한 25년이 넘는 이론적·실험적 논란을 종식시켰다.