[논문 리뷰] Spinon waves in magnetized spin liquids

Leon Balents, Oleg A. Starykh|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 03.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 약한 젠만 필드 하에서 2D U(1) 페르미 표면 스핀 액체에서 횡방향 동적 스핀 수반도를 조사하며, 단거리 상호작용이 두 스핀온 연속체 이하의 새로운 스핀온 스핀 모드를 생성하는 것으로 나타나고, 게이지 변동은 연속체 외부에 비제로의 거듭제곱 법칙 가중치와 모멘텀 제곱에 비례하는 수명을 유도한다. 이러한 효과들은 스핀 진동수 스펙트럼을 재구성하여 비탄성 중성자 산란, 전자 스핀 공명(ESR), RIXS 실험에 대한 통합 이론을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We study the transverse dynamical spin susceptibility of the two dimensional U(1) Fermi surface spin liquid in a small applied Zeeman field. We show that both short-range interactions, present in a generic Fermi liquid, as well as gauge fluctuations, characteristic of the U(1) spin liquid, qualitatively change the result based on the frequently assumed non-interacting approximation. Short-range interaction leads to a new collective mode: a spinon spin which splits off from the two-spinon continuum at small momentum and disperses downward. Gauge fluctuations renormalize the susceptibility, providing non-zero power law weight in the region outside the continuum and giving the spin wave a finite lifetime, which scales as momentum squared. We also study the effect of Dzyaloshinskii-Moriya anisotropy on the zero momentum susceptibility, which is measured in electron spin resonance (ESR), and obtain a resonance linewidth linear in temperature and varying as $B^{2/3}$ with magnetic field $B$ at low temperature. Our results form the basis for a theory of inelastic neutrons scattering, ESR, and resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) studies of this quantum spin liquid state.

연구 동기 및 목표

• 약한 젠만 필드 하에서 2D U(1) 페르미 표면 스핀 액체의 횡방향 스핀 수반도에 단거리 상호작용과 게이지 변동이 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 다체 효과를 포함시켜 비상호작용 모델과 실제 스핀 액체 행동 간의 모순을 해결하기 위해.
• 양자 스핀 액체에서 비탄성 중성자 산란, 전자 스핀 공명(ESR), 공진형 비탄성 X선 산란(RIXS) 데이터를 해석하기 위한 이론적 프레임워크를 제공하기 위해.
• 지얄로시츠키-모리야 비대칭성이 영점 모멘텀 스핀 수반도에 미치는 영향과 그 온도 및 자기장 의존성 분석하기 위해.

제안 방법

• U(1) 스핀 액체 프레임워크 내에서 장 이론적 접근을 사용해 횡방향 동적 스핀 수반도를 분석하기 위해.
• 스핀온 분산 및 스펙트럼 무게에 대한 수정을 유도하기 위해 페르미 액체 유사 효과 이론을 통해 단거리 상호작용을 포함하기 위해.
• 스핀 수반도를 재규격화하고 유 end 수명 효과를 도입하기 위해 게이지 변동을 자가에너지 보정을 통해 통합하기 위해.
• 저에너지 효과 작용을 적용하여 영점 모멘텀 수반도와 온도 및 자기장 의존성을 계산하기 위해.
• Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용을 외부 힘으로 삼아 ESR 선폭과 자기장 의존성에 미치는 영향을 연구하기 위해.
• 퍼티럽레이티브 재규격화 그룹 기법을 사용해 스핀파의 모멘텀 및 온도 의존성 수명과 스펙트럼 무게를 유도하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단거리 상호작용은 비상호작용 근사 이외의 U(1) 스핀 액체에서 스핀 진동수 스펙트럼에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 게이지 변동은 스펙트럼 무게를 재분배하고 스핀온 모드에 유한한 수명을 어떻게 도입하는가?
• RQ3 Dzyaloshinskii-Moriya 비대칭성은 영점 모멘텀 스핀 수반도와 ESR 공명 선폭에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 저온 영역에서 ESR 선폭의 기능적 형태는 온도 및 자기장 B에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ5 상호작용과 게이지 변동의 병합 효과는 비탄성 중성자 산란 및 RIXS 데이터의 해석에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 단거리 상호작용은 작은 모멘텀에서 두 스핀온 연속체에서 분리되어 아래로 분산되는 새로운 집단 모드인 스핀온 스핀을 생성한다.
• 게이지 변동은 스핀 수반도를 재규격화하며, 이전에는 금지되었던 영역에 비제로의 거듭제곱 법칙 가중치를 도입하고, 스핀파의 수명을 모멘텀의 제곱에 비례하는 유한한 값으로 만든다.
• ESR 공명 선폭은 저온에서 온도에 선형적으로 의존하며, 자기장 B에 대해 B^{2/3}의 비율로 스케일링된다.
• 상호작용과 게이지 변동의 병합 효과는 비상호작용 스핀온 모델로는 포착할 수 없는 수정된 스핀 진동수 스펙트럼을 이끈다.
• 이 이론은 U(1) 스핀 액체 상태에서 비탄성 중성자 산란, ESR 및 RIXS 실험의 해석을 위한 통합 프레임워크를 제공한다.