[논문 리뷰] Fragility of the nematic spin liquid induced by diagonal couplings in the square-lattice SU(3) model

Xiaotian Zhang, Wen-Jun Hu외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 29.

Advanced Condensed Matter Physics참고 문헌 50인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 정사각형 격자 위의 스핀-1 SU(3) 모델에서 비대칭 스핀 액체의 안정성을 조사하기 위해 대규모 밀도 행렬 다듬기(DMRG) 시뮬레이션을 사용한다. 이중근접 이웃 상호작용을 도입함으로써 이중격자 구조를 깨뜨림으로써, 조그만 크기의 이러한 상호작용조차도 삼자결합 자성 순서를 유도함을 발견하였다. 이는 비대칭 스핀 액체가 두 및 삼자결합 변동 간의 경쟁에서 기인하며, 매우 취약하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

We present a large-scale density matrix renormalization group (DMRG) study of the spin-$1$ SU(3) bilinear-biquadratic model on the square lattice, which was suggested to host a nematic spin liquid state in recent DMRG calculations. We report that this spin liquid appears to strongly compete with a three-sublattice magnetic order. To further study the competition between the two states, and the reason of the emergent nematic spin liquid, we included an additional next-nearest-neighbor SU(3) symmetric interactions along one of the two plaquette diagonal directions. This allows to tune the square-lattice model to the triangular-lattice model. By computing spin correlation functions and various order parameters, we find that the three-sublattice order may develop at infinitesimal additional new coupling, at least within the precision of our study. Compared with the previous findings that the nematic spin liquid is stable in extended parameter regions with additional couplings that respect the lattice symmetries of the square lattice, we argue that here the diagonal couplings, which frustrate the bipartite-lattice structure, rapidly suppress the two-sublattice fluctuations and the three-sublattice order thus wins. This numerical result is consistent with the conjecture that the nematic spin liquid emerges from the competition between two- and three-sublattice fluctuations.

연구 동기 및 목표

• 정사각형 격자 위의 스핀-1 SU(3) 이차형-이중형 모델에서 비대칭 스핀 액체 상의 안정성을 조사하기 위해.
• 격자 대칭성과 응집이 특이한 양자 상을 안정화하는 데 미치는 역할을 이해하기 위해.
• 이중근접 이웃 상호작용이 이중격자 구조를 깨뜨릴 때 비대칭 스핀 액체와 자성 순서 간의 경쟁에 어떤 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 비대칭 스핀 액체의 기원이 두 및 삼자결합 변동 간의 경쟁으로서 명확히 드러나도록 하기 위해.

제안 방법

• x-방향으로 개방된 경계 조건, y-방향으로 주기적 경계 조건을 가진 실린더 기하학에서의 대규모 밀도 행렬 다듬기(DMRG) 시뮬레이션.
• 한 대각선 방향(ex+y)에 따라 이중근접 이웃 SU(3) 대칭 상호작용을 포함하여 정사각형 격자와 삼각 격자 모델 사이를 연결.
• 비대칭 스핀 액체와 삼자결합 자성 순서를 구분하기 위해 스핀 상관 함수 및 다양한 순서 매개변수 계산.
• 대각선 결합 강도를 제로(정사각형 격자)에서 유한한 값(삼각 격자)으로 조절하여 상의 경쟁을 탐색.
• 삼자결합 구조를 맞추기 위해 경계 조건을 이동시킨 DMRG를 사용하여 이전 연구와의 비교를 가능하게 함.
• 비대칭 스핀 액체의 안정성을 평가하기 위해 매우 작은 대각선 결합에 대한 시스템의 반응 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정사각형 격자 SU(3) 모델에서 비대칭 스핀 액체 상태는 대각선 이중근접 이웃 상호작용이 도입되었을 때도 안정성을 유지하는가?
• RQ2 이중격자 구조를 깨뜨리는 대각선 상호작용은 두 및 삼자결합 변동 간의 경쟁에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 매우 작은 대각선 상호작용이 시스템에서 삼자결합 자성 순서를 유도할 수 있는가?
• RQ4 왜 비대칭 스핀 액체가 정사각형 격자 위의 SU(3) 모델에서 경쟁 상태로 나타나는가?
• RQ5 대각선 상호작용을 포함함으로써 대칭 상호작용이 정사각형 격자 대칭을 유지하는 경우와 비교해 상도가 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 비대칭 스핀 액체 상태는 대각선 이중근접 이웃 상호작용에 매우 취약하며, 매우 작은 결합 강도에서도 삼자결합 자성 순서가 나타남.
• 대각선 상호작용의 도입은 이중격자 구조를 깨뜨리며, 이로 인해 두자결합 변동이 급격히 억제되고 삼자결합 순서가 유리해짐.
• 매우 작은 대각선 상호작용조차도 삼자결합 순서 매개변수가 증가함을 보여주며, 이는 두 변동 채널 간의 강한 경쟁을 시사함.
• 결과는 비대칭 스핀 액체가 두 및 삼자결합 변동 간의 경쟁에서 기인한다는 추측을 지지함.
• 비대칭 스핀 액체의 취약성은 격자 대칭의 상실과 그로 인한 삼자결합 변동의 증가로 기인함.
• 이 연구는 비대칭 스핀 액체가 삼자결합 순서를 선호하는 대칭성 깨짐 외부 힘에 대해 강건하지 않음을 확인함.