[논문 리뷰] Valence Bonds in Random Quantum Magnets: Theory and Application to YbMgGaO4

Itamar Kimchi, Adam Nahum외 1명|Oxford University Research Archive (ORA) (University of Oxford)|2017. 10. 18.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 31

한 줄 요약

이 논문은 YbMgGaO4와 같은 스핀-1/2 양자 자성체에서 굳어진 불순성의 존재가 스핀-1/2 모멘트를 수용하는 위상적 결함의 네트워크를 필연적으로 유도하며, 이로 인해 시스템이 고유한 저에너지 양자 상태를 갖는 강한 무작위 스핀 네트워크로 전환됨을 제안한다. 이 이론은 불순성이 비틀림 상태의 고리형 결합 순서를 파괴하고, 분수형 거듭제곱 법칙에 따르는 비열과 이례적인 열전도도를 포함한 이국적인 양자 행동을 유도함을 예측하며, 이는 YbMgGaO4에서의 실험 관측과 일치한다.

ABSTRACT

We analyze the effect of quenched disorder on spin-1/2 quantum magnets in which magnetic frustration promotes the formation of local singlets. Our results include a theory for 2d valence-bond solids subject to weak bond randomness, as well as extensions to stronger disorder regimes where we make connections with quantum spin liquids. We find, on various lattices, that the destruction of a valence-bond solid phase by weak quenched disorder leads inevitably to the nucleation of topological defects carrying spin-1/2 moments. This renormalizes the lattice into a strongly random spin network with interesting low-energy excitations. Similarly when short-ranged valence bonds would be pinned by stronger disorder, we find that this putative glass is unstable to defects that carry spin-1/2 magnetic moments, and whose residual interactions decide the ultimate low energy fate. Motivated by these results we conjecture Lieb-Schultz-Mattis-like restrictions on ground states for disordered magnets with spin-1/2 per statistical unit cell. These conjectures are supported by an argument for 1d spin chains. We apply insights from this study to the phenomenology of YbMgGaO$_4$, a recently discovered triangular lattice spin-1/2 insulator which was proposed to be a quantum spin liquid. We instead explore a description based on the present theory. Experimental signatures, including unusual specific heat, thermal conductivity, and dynamical structure factor, and their behavior in a magnetic field, are predicted from the theory, and compare favorably with existing measurements on YbMgGaO$_4$ and related materials.

연구 동기 및 목표

• 완고한 결합 랜덤니스가 응축에 의해 局소 비틀림 상태 형성에 유리한 양자 자성체에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 비틀림 상태(VBS) 순서가 약한 불순성에 의해 파괴될 때 위상적 결함(스핀-1/2 모멘트를 수용하는)이 어떻게 나타나는지 설명하기 위해.
• 가짜 비틀림 상태 유리한 결합 유리한 상태에서 결함의 과도한 증식에 의해 불안정해지는 강한 불순성 영역으로 분석을 확장하기 위해.
• 단위 세포당 스핀-1/2를 갖는 무작위 자성체에 대해 Lieb-Schultz-Mattis 유형의 제약 조건을 제안하기 위해.
• YbMgGaO4에서 관측된 이론적 이상 현상(예: 거듭제곱 법칙에 따른 비열과 이례적인 동적 스트럭처 인자)을 설명하기 위해 이 이론을 적용하기 위해.

제안 방법

• 반복 군(RG) 흐름과 결함 장 이론을 사용하여 2차원 비틀림 상태 고체에서의 약한 결합 랜덤니스를 분석한다.
• VBS를 비틀림 순서를 수반하는 Z2 스핀 액체로 매핑하고, 이로써 결함 형성과 위상 순서를 기술한다.
• 강한 불순성에서 결함 통계와 스핀 유리의 동결을 연구하기 위해 고전적 따머의 무작위 에너지 모델을 적용한다.
• 중력자 산란 데이터와 일치시키기 위해, 조정된 제2 이웃 상호작용을 갖는 단거리 무작위 방향 비틀림 상태의 최소 효과 모델을 구성한다.
• 1차원 사슬에서 얽힘 구조와 스핀 갭 분석을 사용하여 스핀 상관관계에 대한 제약 조건을 유도한다.
• 스핀-오비트 결합 해밀토니안에 의해 기술되는 미세 구조 분석을 수행하며, 이는 YbMgGaO4의 스핀-오비트 결합 상호작용과 비슷한 교환 이방성 특성을 모델링하기 위해 허위 이중극자 및 Kitaev 유사 항을 포함한다.

Figure 1: Spin–1/2 defects in a valence bond solid. The Valence Bond Solid (VBS) patterns on the triangular lattice shown here [top] admit two types of defects: point defects (vortices) and line defects (domain walls). Each vortex hosts a protected spin–1/2 in its core. A particular type of domain w

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약한 굳어진 불순성이 응축된 양자 자성체에서 비틀림 상태 고체 순서를 어떻게 파괴하는가?
• RQ2 불순성이 유도하는 위상적 결함(소용돌이와 도메인 벽)이 핵심이 되었을 때 저에너지 상태로 나타나는 양자 상태는 무엇인가?
• RQ3 강한 불순성 하에서 비틀림 상태 유리한 상태가 안정한가, 아니면 항상 결함 증식에 의해 불안정해지는가?
• RQ4 저에너지 물리학과 열역학적 반응에 대해 기인하는 새로운 스핀-1/2 모멘트의 영향은 무엇인가?
• RQ5 YbMgGaO4에서 관측된 거듭제곱 법칙에 따른 비열과 이례적인 열전도도는 어떻게 무작위 비틀림 상태 네트워크로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• VBS 상태에서의 약한 불순성은 필연적으로 각각 보호된 스핀-1/2 모멘트를 수용하는 희박한 위상적 결함 네트워크를 생성한다.
• 결과적으로 시스템은 장거리 무작위 비틀림 상태와 저에너지에서 스핀 유리의 동결 가능성을 수반하는 강한 무작위 스핀 네트워크로 진화한다.
• 이 이론은 실험 데이터와 일치하는 분수형 거듭제곱 법칙 비열, C(T) ∼ T^0.7을 예측하며, YbMgGaO4에서 60 mK까지 적용 가능하다.
• 무작위 스핀 네트워크와 국소화된 모멘트에 의한 산란으로 인해 열전도도가 이례적으로 낮아질 것으로 예측된다.
• 동적 스트럭처 인자는 저에너지에서 넓고 비구조적인 스펙트럼 무게를 나타내며, 중성자 산란 데이터와 일치한다.
• 자기장이 스핀 자극 스펙트럼에서 전이 현상을 유도할 것으로 예측되며, 비열과 구조 인자에 자기장 의존적인 변화가 나타난다.

Figure 2: Pinned singlets instability. (a) The putative 2d valence bond glass phase consists of pinned short-ranged singlets. (b) We find that in the thermodynamic limit such a valence bond glass is unstable to the nucleation of defect monomers that carry spin–1/2. The RG flow from the resulting ran