[论文解读] Field-Induced Phase Transition of the Spin Liquid State in Triangular Antiferromagnet YbMgGaO4

Sara Haravifard, William Steinhardt+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2020

Advanced Condensed Matter Physics被引用 3

一句话总结

本研究通过低温下不同磁场条件下的中子散射与磁化率测量，揭示了量子自旋液体候选材料 YbMgGaO4 中的场诱导相变。观察到的交叉转变表现为散射强度从布里渊区的 M 点向 K 点转移，该现象通过经典蒙特卡罗与 DMRG 模拟成功再现，从而在存在化学无序的情况下精确约束了磁性哈密顿量参数，并证实了该材料接近量子自旋液体基态。

ABSTRACT

The quantum spin liquid (QSL) state is an exotic state of matter featuring a high degree of entanglement and lack of long-range magnetic order in the zero-temperature limit. The triangular antiferromagnet YbMgGaO4 is a candidate QSL host, and precise determination of the Hamiltonian parameters is critical to understanding the nature of the possible ground states. However, the presence of chemical disorder has made directly measuring these parameters challenging. Here we report neutron scattering and magnetic susceptibility measurements covering a broad range of applied magnetic field at low temperature. Our data shows a field-induced crossover in YbMgGaO4, which we reproduce with complementary classical Monte Carlo and Density Matrix Renormalization Group simulations. Neutron scattering data above and below the crossover reveal a shift in scattering intensity from M to K points and, collectively, our measurements provide essential characteristics of the phase crossover that we employ to strictly constrain proposed magnetic Hamiltonian parameters despite the chemical disorder. Constrained exchange parameters further suggest the material's proximity to the QSL state in the clean limit. More broadly, our approach demonstrates a means of pursuing QSL candidates where Hamiltonian parameters might otherwise be obscured by disorder.

研究动机与目标

• 确定无序量子自旋液体候选材料 YbMgGaO4 中的磁性哈密顿量参数。
• 研究在低温与可变磁场条件下 YbMgGaO4 中的场诱导相变。
• 克服化学无序对磁性哈密顿量交换参数精确提取带来的挑战。
• 评估该材料在理想纯净极限下接近量子自旋液体基态的程度。
• 展示一种在哈密顿量参数因无序而难以辨识时，有效探测量子自旋液体候选材料的稳健方法。

提出的方法

• 在低温下对一系列外加磁场条件下的样品进行中子散射测量，以探测自旋激发动力学。
• 获取磁化率测量数据，以补充中子散射结果并表征材料的磁响应特性。
• 采用经典蒙特卡罗模拟来建模场诱导的交叉转变，并再现散射强度的演化行为。
• 利用密度矩阵重正则化群（DMRG）模拟验证交叉行为，并支持对量子自旋关联的解释。
• 结合实验与模拟数据，在存在化学无序的情况下约束磁性哈密顿量的交换参数。
• 通过比较交叉转变前后 M 点与 K 点处散射强度的差异，识别相变行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 外加磁场如何在量子自旋液体候选材料 YbMgGaO4 中诱导相变？
• RQ2 中子散射揭示的场诱导交叉转变过程中，自旋激发响应的性质是什么？
• RQ3 尽管存在化学无序，YbMgGaO4 中的哈密顿量参数在多大程度上可以被精确约束？
• RQ4 所观察到的交叉行为如何支持 YbMgGaO4 接近量子自旋液体基态的结论？
• RQ5 当直接提取参数受阻时，中子散射与数值模拟的结合能否有效探测无序的量子自旋液体候选材料？

主要发现

• 在 YbMgGaO4 中观察到场诱导的交叉转变，其特征为布里渊区中子散射强度从 M 点向 K 点转移。
• 交叉转变前后中子散射数据呈现出明显的自旋激发模式差异，证实了自旋关联的改变。
• 该交叉转变被经典蒙特卡罗与 DMRG 模拟均成功再现，验证了所观察相变的一致性。
• 尽管存在化学无序，结合实验与模拟的方法仍能严格约束磁性哈密顿量的交换参数。
• 约束后的参数表明，在理想纯净极限下，YbMgGaO4 接近量子自旋液体基态。
• 本研究建立了一种有效方法，用于探测因无序而通常难以确定哈密顿量参数的量子自旋液体候选材料。