[논문 리뷰] Non-Fermi-liquid at (2+1)d ferromagnetic quantum critical point

Xiao Yan Xu, Kai Sun외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 19.

Theoretical and Computational Physics인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 이징 페로자성 임계 변동과 결합된 2차원 페르미온 체계에 대한 서그리 문제 없는 양자 몬테카를로 시뮬레이션을 제시하며, T = 0.025까지 초전도 순서 없이 연속적인 이동성 양자 상전이를 나타낸다. 양자 임계점에서 페르미온 전파함수에서 명백한 비페르미 액체 행동이 나타나며, 이는 (2+1)d 이징 이론과 허츠-밀리스-모리야 예측과 모두 다를 새로운 보편성 클래스를 시사한다.

ABSTRACT

We construct a two-dimensional lattice model of fermions coupled to Ising ferromagnetic critical fluctuations. Using extensive sign-problem-free quantum Monte Carlo simulations, we show that the model realizes a continuous itinerant quantum phase transition. In comparison with other similar itinerant quantum critical points (QCPs), our QCP shows much weaker superconductivity tendency with no superconducting state down to the lowest temperature investigated, hence making the system a good platform for the exploration of quantum critical fluctuations. Remarkably, clear signatures of non-Fermi-liquid behavior in the fermion propagators are observed at the QCP. The critical fluctuations at the QCP partially resemble Hertz-Millis-Moriya behavior. However, careful scaling analysis reveals that the QCP belongs to a different universality class, deviating from both (2+1)d Ising and Hertz-Millis-Moriya predictions.

연구 동기 및 목표

• 이동성 페르미온 체계에서 페로자성 양자 상전이 근처의 양자 임계성의 성격을 조사하기 위해.
• 이러한 체계에서 초전도 불안정성이 진짜 양자 임계점을 가리킬 수 있는지 확인하기 위해.
• 페르미온 자기에너지와 스핀 수용도를 분석하여 임계점의 보편성 클래스를 규명하기 위해.
• 경쟁하는 질서를 억제함으로써 비페르미 액체 행동을 연구할 수 있는 청결한 플랫폼을 확립하기 위해.
• 허츠-밀리스-모리야 이론과 (2+1)d 이징 예측이 비편향 수치 시뮬레이션에 의해 얼마나 타당한지 검증하기 위해.

제안 방법

• 무한한 이징 페로자성 임계 변동과 결합된 이동성 페르미온의 2차원 격자 모델 구축.
• 서그리 문제 없는 수치 계산을 위한 결정식 양자 몬테카를로(QMC) 시뮬레이션 활용.
• 비페르미 액체 행동을 탐지하기 위해 페르미온 그린 함수와 자기에너지 분석.
• 초전도성 불안정성을 탐지하기 위해 강성 Kc와 Ks를 통해 초전도 밀도 ρc와 ρs 측정.
• Q = (π, π)와 Q = (0, 0)에서 부드러운 모드를 식별하기 위해 페르미온 스핀 수용도 χF 계산.
• 크기와 온도 의존성 분석을 통해 평균장 행동과 비정상적 스케일링 행동을 구별하기 위해 유한한 크기 스케일링 활용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이징 페로자성 임계 변동과 결합된 2차원 페르미온 체계에서 연속적인 이동성 양자 상전이가 발생하는가?
• RQ2 양자 임계점에서 초전도 불안정성이 억제되어 임계 변동의 청결한 연구가 가능한가?
• RQ3 임계점에서 페르미온 전파함수에서 비페르미 액체 행동이 나타나는가, 만약 그렇다면 그 기원은 무엇인가?
• RQ4 양자 임계점의 보편성 클래스는 허츠-밀리스-모리야 이론이나 (2+1)d 이징 이론과 일치하는가?
• RQ5 Q = (π, π)에서의 부드러운 페르미온-이차형 모드는 페르미온 자기에너지와 준입자 성질을 어떻게 수정하는가?

주요 결과

• 초전도 순서의 징후가 전혀 없이 T = 0.025까지 연속적인 이동성 양자 상전이가 나타나며, 초전도 밀도 측정을 통해 확인되었다.
• 가장 큰 격자 크기에서 초전도 밀도의 합 ρc + ρs는 8/π T 이하로 유지되며, 준장거리 초전도 질서가 없음을 시사한다.
• 페르미온 자기에너지에서 비페르미 액체 행동이 관측되었으며, |ImΣ(ωn)|이 ωn이 감소함에 따라 증가하여 저주파수에서 1/ωn 발산과 일치한다.
• 페르미온 스핀 수용도는 Q = (π, π)에서의 부드러운 모드를 드러내며, Q = (0, 0)에서의 주요 페로자성 변동 외에도 준입자 성질을 수정하는 데 중요한 역할을 한다.
• 임계 변동은 허츠-밀리스-모리야 이론과 (2+1)d 이징 예측에서 벗어나, 양자 임계점에 대해 새로운 보편성 클래스를 나타낸다.
• 관측된 자기에너지의 주파수 의존성은 정적이고 공간적으로 균일한 이징 변동(부호가 번갈아나는)이 자기에너지의 1/ωn 주파수 의존성을 유도하는 모델과 일치한다.