[논문 리뷰] Proximate deconfined quantum critical point in SrCu2(BO3)2

Yi Cui, Lu Liu외 11명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 18.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 고압 및 자기장 조건에서 SrCu2(BO3)2에서의 근접한 비구속 양자临계점(DQCP)에 대한 실험적 증거를 제시한다. 11B NMR를 통해 2.4 GPa에서 양자临계점 스케일링과 잠재적 O(3) 대칭성이 관찰되었으며, 플라켓트 스инг렛에서 반자성 순서로의 전이가 약화된 1차 특성을 보이며 임계 플럭투에이션을 나타내어 DQCP 시나리오와 일치한다. 이는 분할된 진동자와 랑던-긴즈버그-윌슨 이론을 초월한 잠재적 대칭성을 지닌다.

ABSTRACT

The deconfined quantum critical point (DQCP) represents a paradigm shift in quantum matter studies, presenting a "beyond Landau" scenario for order--order transitions. Its experimental realization, however, has remained elusive. Using high-pressure $^{11}$B NMR measurements on the quantum magnet SrCu$_2$(BO$_3$)$_2$, we here demonstrate a magnetic-field induced plaquette-singlet to antiferromagnetic transition above 1.8 GPa at a remarkably low temperature, $T_{ m c}\simeq 0.07$ K. First-order signatures of the transition weaken with increasing pressure, and we observe quantum critical scaling at the highest pressure, 2.4 GPa. Supported by model calculations, we suggest that these observations can be explained by a proximate DQCP inducing critical quantum fluctuations and emergent O(3) symmetry of the order parameters. Our findings take the DQCP from a theoretical concept to a concrete experimental platform.

연구 동기 및 목표

• 전통적인 랑던 이론이 실패하는 양자 스핀체계에서 비구속 양자临계점(DQCP)의 실험적 징후를 규명하는 것.
• SrCu2(BO3)2에서 플라켓트 스инг렛과 반자성 순서 사이의 자기장 및 압력 조절 양자상전이를 연구하는 것.
• 고해상도 11B NMR를 활용해 가상의 DQCP 근처에서 O(3) 대칭성과 양자临계점 스케일링의 출현을 탐색하는 것.
• 관측된 전이가 분할된 진동자와 함께 연속적인 양자临계점 특성을 보이는지 확인하는 것.
• 이론적 예측과 측정 가능한 양자临계점 현상 간의 연결을 통해 DQCP에 대한 구체적인 실험 플랫폼을 구축하는 것.

제안 방법

• 2.4 GPa까지의 고압 및 최대 15 T의 자기장에서 SrCu2(BO3)2에 대한 11B 핵자기공명(NMR) 측정을 수행하였다.
• 온도 및 자기장에 따른 스핀-격자 리커일링 속도(1/T1)를 측정하여 양자临계점 플럭투에이션을 탐색하였다.
• 11B NMR 시프트 및 리커일링의 온도 의존성을 분석하여 스핀 갭과 동적 자화율을 추출하였다.
• 양자 몬테카를로 시뮬레이션과 모델 계산을 활용해 NMR 데이터를 해석하고 DQCP 시나리오를 뒷받침하였다.
• NMR 신호와 자화도 변화를 기반으로 플라켓트 스инг렛 상과 반자성 상 사이의 상경계를 매핑하였다.
• 시뮬레이션에서의 순서파라미터 히스토그램을 분석하여 임계점 근처에서의 잠재적 O(3) 대칭성의 출현을 탐지하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고압 조건에서의 자기장 유도 전이가 연속적인 상전이를 나타내는 양자临계점 스케일링을 보이는가?
• RQ2 약화된 1차 특성과 잠재적 O(3) 대칭성과 같은 실험적 징후가 임계 영역에서 관찰될 수 있는가?
• RQ3 관측된 임계 행동이 전통적인 1차 전이가 아닌 비구속 양자临계점(DQCP)과 일치하는가?
• RQ4 자기장 하에서의 잠재적 O(4) 대칭성과 그 감소가 O(3)으로의 전이를 통해 DQCP 현상학을 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 실재 물질에서 DQCP 시나리오가 실험적으로 실현 가능하며, 어떤 측정 가능한 징후를 유도하는가?

주요 결과

• 2.4 GPa에서 Tc ≈ 0.07 K에서 플라켓트 스инг렛에서 반자성 순서로의 자기장 유도 전이가 관측되었으며, 1/T1의 양자临계점 스케일링이 나타났다.
• 압력이 증가함에 따라 전이의 1차 불연속성이 약화되어 연속적인 임계점으로 향하는 1차 특성의 억제를 나타낸다.
• 2.4 GPa에서 T > Tc 영역에서 1/T1의 양자临계점 스케일링이 관측되어 임계 양자 플럭투에이션이 존재함을 지지한다.
• 모델 계산에서의 순서파라미터 히스토그램은 DQCP 시나리오와 일치하는 잠재적 O(3) 대칭성을 나타낸다.
• 관측된 임계 행동은 O(4) 대칭성을 지닌 다중임계점에 가까이 다가선 근접 DQCP로 해석되며, 자장을 제로로 설정할 경우 O(4) 대칭성이 존재할 것으로 예측된다.
• 작은 자화도 변화와 플라켓트 스инг렛 및 반자성 특성의 공존은 에너지 장벽 없이 순서파라미터의 연속적인 변화를 가능하게 하며, DQCP 현상학과 일치한다.