[논문 리뷰] Witnessing quantum criticality and entanglement in the triangular antiferromagnet KYbSe$_2$

Allen Scheie, E. A. Ghioldi외 21명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 23.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 2차 상전이 근처의 양자 스핀 액체 후보로 KYbSe₂를 규명하며, 비탄성 중성자산으로 산란을 통해 날카로운 하한을 가진 산란 연속체를 관측하였다. 얽힘 증거와 슈윙거-보손 이론을 통해 다중입자 얽힘과 Z₂ 스핀 액체에 가까운 상태가 확인되었으며, 삼각형 헤이젠베르크 모델의 양자临계 근처에서 오랫동안 놓여 있던 이론적 논쟁을 해결하였다.

ABSTRACT

The Heisenberg triangular lattice quantum spin liquid and the phase transitions to nearby magnetic orders have received much theoretical attention, but clear experimental manifestations of these states are rare. This work investigates a new spin-half Yb$^{3+}$ delafossite material, KYbSe$_2$, whose inelastic neutron scattering spectra reveal a diffuse continuum with a sharp lower bound. Applying entanglement witnesses to the data reveals significant multipartite entanglement spread between its neighbors, and analysis of its magnetic exchange couplings shows close proximity to the triangular lattice Heisenberg quantum spin liquid. Key features of the data are reproduced by Schwinger-boson theory and tensor network calculations with a significant second-neighbor coupling $J_2$. The strength of the dynamical structure factor at the $K$ point shows a scaling collapse in $\hbarω/k_\mathrm{B}T$ down to 0.3 K, indicating a second-order quantum phase transition. Comparing this to previous theoretical work suggests that the proximate phase at larger $J_2$ is a gapped $\mathbb{Z}_2$ spin liquid, resolving a long-debated issue. We thus show that KYbSe$_2$ is close to a spin liquid phase, which in turn sheds light on the theoretical phase diagram itself.

연구 동기 및 목표

• 삼각형 반자성체 KYbSe₂에서 양자 스핀 액체의 실험적 징후를 규명하는 것.
• KYbSe₂가 양자 임계점과 장거리 양자 얽힘을 갖는지 확인하는 것.
• 제2근접 이웃 상호작용을 고려한 삼각형 헤이젠베르크 모델에서의 상전이 성격에 대한 이론적 논쟁을 해결하는 것.
• 비탄성 중성자산에서의 실험 데이터와 이론 모델(Schwinger-boson 및 텐서 네트워크)을 대조하여 검증하는 것.
• 실험적 관측과 양자 임계 근처의 격자된 Z₂ 스핀 액체 상 존재 간의 직접적 연관성을 설정하는 것.

제안 방법

• 0.3 K까지의 온도에서 KYbSe₂ 단일 결정에 대해 비탄성 중성자산(INS)을 실시하여 동적 스핀 상관관계를 탐색하였다.
• 측정된 동적 구조 인자의 얽힘 증거를 적용하여 근처 이웃 Yb³⁺ 스핀 간의 다중입자 양자 얽힘을 정량화하였다.
• 온사거 반응장(ORF) 피팅을 통해 근처 이웃(J₁)과 제2근접 이웃(J₂)의 반자성 상호작용을 포함한 스핀 교환 상수를 추출하였다.
• Schwinger-boson 평균장 이론을 사용하여 스핀 진동수 스펙트럼을 시뮬레이션하고 실험 데이터와 비교하여 등방성과 J₂ 의존성의 타당성을 검증하였다.
• 텐서 네트워크 계산을 통해 스핀 액체 거동을 모델링하고 Z₂ 스핀 액체 상 존재를 검증하였다.
• 0.3 K까지의 ℏω/kBT 에서의 동적 구조 인자의 스케일링 콜라프를 분석하여 2차 양자 임계성의 강력한 증거를 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 KYbSe₂는 산란 연속체와 장거리 자기적 질서의 부재와 같은 양자 스핀 액체의 징후를 나타내는가?
• RQ2 KYbSe₂에서의 양자 상전이 성격은 무엇이며, 2차 임계성임을 확인할 수 있는가?
• RQ3 KYbSe₂에 다중입자 얽힘은 어느 정도 존재하며, 실험적으로 증명될 수 있는가?
• RQ4 측정된 스핀 교환 상수(J₁ 및 J₂)는 KYbSe₂가 삼각형 헤이젠베르크 모델의 이론적 상도에서 어느 위치에 놓여 있는지를 어떻게 규명하는가?
• RQ5 KYbSe₂의 근접 상은 이론 예측과 같이 격자된 Z₂ 스핀 액체인가?

주요 결과

• KYbSe₂의 비탄성 중성자산 스펙트럼은 날카로운 하한을 가진 산란 연속체를 나타내며, 비가시적 스핀온 유사 진동수의 존재를 시사한다.
• 측정 데이터에 적용된 얽힘 증거는 근처 이웃 Yb³⁺ 스핀 간의 상당한 다중입자 얽힘을 드러내며, 매우 얽힌 기본 상태임을 확인한다.
• K 점에서의 동적 구조 인자는 0.3 K까지 ℏω/kBT 에서 스케일링 콜라프를 보이며, 2차 양자 임계성에 대한 강력한 증거를 제공한다.
• 온사거 반응장 피팅 결과 J₁ = 2.33(10) K 및 J₂ = 0.11(2) K를 도출하였으며, 이는 작은 비영 제로 제2근접 상호작용이 양자 임계성을 안정화시킴을 시사한다.
• Schwinger-boson 및 텐서 네트워크 계산은 J₂ ≈ 0.11 K의 유한한 값에서 실험 데이터를 가장 잘 재현하며, 임계점 근처에 격자된 Z₂ 스핀 액체 상 존재를 지지한다.
• 고해상도 데이터에서 K 점에서의 격자된 모드가 관측되지 않아, 근처 이웃 상호작용의 비등방성은 미미함을 확인하며, 거의 헤이젠베르크 등방성임을 뒷받침한다.