[논문 리뷰] Heat capacity from local moments in frustrated disordered quantum spin systems: scaling and data collapse

Itamar Kimchi, John P. Sheckelton외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 28.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 고립된 불완전한 양자 스핀 체계에서의 보편적인 저온 스케일링 이론을 제안하며, 스핀-오비트 결합과 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용을 포함한 임의의 쌍-결합 상태에 의해 열용량에서 관측된 T/H 데이터 수렴 현상을 설명한다. 이 이론은 C[H,T]/T ∼ H^{-γ}F_q[T/H] 형태의 스케일링을 도출하며, 여기서 F_q[x] = x^q (작은 x에서)이며, q ∈ {0,1,2}는 공간 대칭성에 따라 결정되며, H₃LiIr₂O₆ 및 ZnCu₃(OH)₆Cl₂와 같은 물질의 실험 결과와의 일치를 확인한다.

ABSTRACT

Recently measurements on various spin-1/2 quantum magnets such as H$_3$LiIr$_2$O$_6$, LiZn$_2$Mo$_3$O$_8$, ZnCu$_3$(OH)$_6$Cl$_2$ and 1T-TaS$_2$ --- all described by magnetic frustration and quenched disorder but with no other common relation --- nevertheless showed apparently universal scaling features at low temperature. In particular the heat capacity C[H,T] in temperature T and magnetic field H exhibits T/H data collapse reminiscent of scaling near a critical point. Here we propose a theory for this scaling collapse based on an emergent random-singlet regime extended to include spin-orbit coupling and antisymmetric Dzyaloshinskii-Moriya (DM) interactions. We derive the scaling $C[H,T]/T \sim H^{-\gamma} F_q[T/H]$ with $F_q[x] = x^{q}$ at small $x$, with $q \in$ (0,1,2) an integer exponent whose value depends on spatial symmetries. The agreement with experiments indicates that a fraction of spins form random valence bonds and that these are surrounded by a quantum paramagnetic phase. We also discuss distinct scaling for magnetization with a $q$-dependent subdominant term enforced by Maxwell's relations.

연구 동기 및 목표

• H₃LiIr₂O₆ 및 1T-TaS₂와 같은 다양한 불완전한 불균일한 양자 스핀 체계에서 열용량 C[H,T]의 보편적인 저온 스케일링을 설명하기 위해.
• 서로 다른 물질 간에 유사한 공통점이 없음에도 불구하고 관측되는 T/H 열용량 데이터 수렴 현상의 미세 구조적 기원을 규명하기 위해.
• 임의의 쌍-결합 물리, 스핀-오비트 결합, Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용을 포함하는 이론적 프레임워크를 개발하여 관측된 스케일링 행동을 설명하기 위해.
• 공간 대칭성이 스케일링 함수 F_q[x] = x^q에서 작은 x에서의 지수 q를 결정하는 데 미치는 역할을 규명하기 위해.

제안 방법

• 임의의 쌍-결합 형성, 스핀-오비트 결합, 비대칭 Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 상호작용을 포함하는 효과적 해밀토니안에서 스케일링 형태 C[H,T]/T ∼ H^{-γ}F_q[T/H]를 유도하기 위해.
• 유도된 임의의 쌍-결합 상태에 대한 스케일링 지수 q를 공간 대칭성에 기반하여 결정하기 위해 유도군론적 접근을 사용하기 위해.
• 자기화에 대한 별개의 스케일링 행동을 도출하기 위해 맥스웰 관계를 적용하기 위해.
• 작은 x에서 스케일링 함수 F_q[x] = x^q를 매핑하며, q ∈ {0,1,2}는 시스템의 대칭성 클래스에 의해 결정된다.
• 다양한 양자 자성체에서의 실험 데이터와의 비교를 통해 스케일링 형태를 검증하며, 다양한 물질 간의 수렴을 확인하기 위해.
• 임의의 쌍-결합 상이 이러한 불완전한 자성체에서 국소화된 발화 결합을 수반하는 양자 비자기 상태로서의 중요성을 규명하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 불완전한 불균일한 양자 스핀 체계에서 관측된 보편적인 T/H 열용량 데이터 수렴 현상의 미세 구조적 기원은 무엇인가?
• RQ2 스핀-오비트 결합과 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용은 이러한 체계에서 열용량의 스케일링 행동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 스케일링 함수 F_q[x] = x^q에서 지수 q의 값은 무엇에 의해 결정되며, 공간 대칭성과의 관계는 무엇인가?
• RQ4 자기화는 열용량과 어떻게 스케일링되는가? 맥스웰 관계는 이러한 스케일링에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 임의의 쌍-결합 상태는 이러한 물질에서 관측된 양자 비자기 행동을 어느 정도 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 열용량 스케일링 형태 C[H,T]/T ∼ H^{-γ}F_q[T/H]가 유도되었으며, 작은 x에서 F_q[x] = x^q이며, q ∈ {0,1,2}는 공간 대칭성에 따라 결정된다.
• 이 이론은 H₃LiIr₂O₆, LiZn₂Mo₃O₈, ZnCu₃(OH)₆Cl₂ 및 1T-TaS₂에서 실험적으로 관측된 보편적인 T/H 데이터 수렴 현상을 설명한다.
• 일부 스핀은 불완전성과 스핀-오비트 결합에 의해 안정화된 양자 비자기 상에 임베딩된 임의의 발화 결합을 형성한다.
• 맥스웰 관계에 의해 강제되는 q에 의존하는 보조적인 항을 포함한 별개의 스케일링 행동을 보이는 자기화가 관측된다.
• 이론과 실험 간의 일치는 이러한 불완전한 자성체에서 임의의 쌍-결합 상태가 존재함을 지지한다.
• 스케일링 지수 q는 시스템의 공간 대칭성에 의해 결정되며, 대칭성과 저에너지 열역학적 행동 간의 연결 고리를 제공한다.