[논문 리뷰] Nesting instability of gapless U(1) spin liquids with spinon Fermi pockets in two dimensions

Wilhelm G. F. Krüger, Lukas Janssen|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 01.

Advanced Condensed Matter Physics참고 문헌 147인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 2차원 키타에브 물질에서 스핀온 피에르 표면을 가진 갭 없는 U(1) 스핀 액체가 저온에서 네스팅 유도 불안정성으로 인해 불안정하다는 것을 보여준다. 중력장 이론과 평균장 이론을 사용하여 저자들은 전자 상호작용이 스핀온 스펙트럼의 갭을 여는 것으로, 단극자 확산과 스핀온의 봉쇄를 이끌어내며, 결국 전통적인 발화 결합 고체 상태로 이어진다. 이는 안정적인 스핀 액체 상태가 아니라 오히려 안정적인 스핀 액체 상태가 아니다.

ABSTRACT

Quantum spin liquids are exotic states of matter that may be realized in frustrated quantum magnets and feature fractionalized excitations and emergent gauge fields. Here, we consider a gapless U(1) spin liquid with spinon Fermi pockets in two spatial dimensions. Such a state appears to be the most promising candidate to describe the exotic field-induced behavior observed in numerical simulations of the antiferromagnetic Kitaev honeycomb model. A similar such state may also be responsible for the recently-reported quantum oscillations of the thermal conductivity in the field-induced quantum paramagnetic phase of $\alpha$-RuCl$_3$. We consider the regime close to a Lifshitz transition, at which the spinon Fermi pockets shrink to small circles around high-symmetry points in the Brillouin zone. By employing renormalization group and mean-field arguments, we demonstrate that interactions lead to a gap opening in the spinon spectrum at low temperatures, which can be understood as a nesting instability of the spinon Fermi surface. This leads to proliferation of monopole operators of the emergent U(1) gauge field and confinement of spinons. While signatures of fractionalization may be observable at finite temperatures, the gapless U(1) spin liquid state with nested spinon Fermi pockets is ultimately unstable at low temperatures towards a conventional long-range-ordered ground state, such as a valence bond solid. Implications for Kitaev materials in external magnetic fields are discussed.

연구 동기 및 목표

• 2차원 키타에브 시스템에서 리프슈츠 전이 근처의 갭 없는 U(1) 스핀 액체와 스핀온 피에르 표면의 안정성을 조사하기 위해.
• 상호작용이 갭 없는 스핀 액체에서 갭 있는 봉쇄된 상태로의 전이를 유도할 수 있는지 확인하기 위해.
• α-RuCl3 및 유사한 키타에브 물질에서 관측된 자기장 유도 양자 반도체 상태를 스핀온 피에르 표면 네스팅 메커니즘으로 설명하기 위해.
• 특히 양자 진동 및 열 홀 효과 실험의 맥락에서 저온에서 U(1) 스핀 액체 상태의 궁극적 운명을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 파면 프로파일러 중력장 이론(FRG)을 사용하여 피에르 표면 근처의 저에너지 양자 변동을 분석한다.
• 스핀온 피에르 표면의 네스팅으로 인한 불안정성을 연구하기 위해 평균장 이론을 적용한다.
• 브릴루앙 존의 고대칭점(Γ, K, K') 주변에 스핀온 피에르 표면을 가진 U(1) 스핀 액체로 시스템을 모델링한다.
• 증가하는 자기장의 영향을 분석하고, 피에르 표면이 점으로 줄어드는 리프슈츠 전이에 접근한다.
• 갭이 열릴 경우 복합 U(1) 게이지 장에서 단극자 연산자가 나타나는 것을 고려한다.
• 헤이그 메커니즘을 사용하여 스핀온의 봉쇄와 발화 결합 고체로의 전이를 기술한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차원 키타에브 시스템에서 스핀온 피에르 표면을 가진 갭 없는 U(1) 스핀 액체는 저온에서 안정적인가?
• RQ2 스핀온 피에르 표면의 네스팅이 갭 열림과 스핀온의 봉쇄를 유도할 수 있는가?
• RQ3 이러한 스핀 액체에서 유도되는 저온의 기본 상태의 성격은 무엇인가?
• RQ4 상호작용과 게이지 변동은 스핀온 피에르 표면의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 기원하는 U(1) 게이지 장의 봉쇄 전이에서 단극자 확산의 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 상호작용은 스핀온 피에르 표면에서 네스팅 불안정성을 유도하여 저온에서 스핀온 스펙트럼의 갭 열림을 초래한다.
• 갭 열림은 네스팅 불안정성을 강화하는 전방 산란 과정에 의해 유도된다.
• 복합 U(1) 게이지 장에서 단극자 연산자가 확산되어 봉쇄된 상태로의 전이를 나타낸다.
• 스핀온은 갭이 생기고 봉쇄되어 전통적인 발화 결합 고체 기본 상태가 형성된다.
• U(1) 스핀 액체는 저온에서 불안정하며 안정적인 양자 스핀 액체 상태로 유지될 수 없다.
• 결과는 α-RuCl3 및 유사한 키타에브 물질에서 자기장 유도 스핀 액체의 억제를 설명하며, 양자 진동 및 열 홀 효과 실험 관측과 일치한다.