[论文解读] Fractional matter coupled to the emergent gauge field in a quantum spin ice

Victor Porée, Han Yan+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2023

Advanced Condensed Matter Physics被引用 1

一句话总结

本研究通过在Ce2Sn2O7上进行超高分辨率背散射中子谱学测量，首次提供了三维量子自旋冰中分数化自旋on激发的直接光谱学证据。观测到的具有多个峰的能隙谱与量子自旋冰π通量相的理论预测相符，证实了分数化物质与一种涌现规范场之间的强耦合。

ABSTRACT

Electronic spins can form long-range entangled phases of condensed matter named quantum spin liquids. Their existence is conceptualized in models of two- or three-dimensional frustrated magnets that evade symmetry-breaking order down to zero temperature. Quantum spin ice (QSI) is a theoretically well-established example described by an emergent quantum electrodynamics, with excitations behaving like photon and matter quasiparticles. The latter are fractionally charged and equivalent to the `spinons' emerging from coherent phases of singlets in one dimension, where clear experimental proofs of fractionalization exist. However, in frustrated magnets it remains difficult to establish consensual evidence for quantum spin liquid ground states and their fractional excitations. Here, we use backscattering neutron spectroscopy to achieve extremely high resolution of the time-dependent magnetic response of the candidate QSI material Ce$_2$Sn$_2$O$_7$. We find a gapped spectrum featuring a threshold and peaks that match theories for pair production and propagation of fractional matter excitations (spinons) strongly coupled to a background gauge field. The multiple peaks are a specific signature of the $\pi$-flux phase of QSI, providing spectroscopic evidence for fractionalization in a three-dimensional quantum spin liquid.

研究动机与目标

• 建立三维量子自旋液体中分数化激发的光谱学证据。
• 探测量子自旋冰中自旋on与涌现U(1)规范场强耦合的动力学行为。
• 利用高分辨率中子散射测试量子自旋冰的理论模型，特别是π通量相。
• 通过与理论预测的定量比较，确定Ce2Sn2O7中的交换参数𝐽∥和𝐽±。

提出的方法

• 在Ce2Sn2O7上进行背散射中子谱学测量，能量分辨率达𝜇eV量级，相比以往研究提升逾十倍。
• 在多个温度下获取飞行时间（TOF）和背散射中子散射数据，以分离出非弹性磁响应。
• 将实验测得的自旋on态密度（DOS）与理论模型拟合：Udagawa与Moessner的解析双自旋on态密度模型，以及Morampudi等人基于QED的模型。
• 利用Desrochers、Chern与Kim的规范平均场理论结果，模拟π通量相中峰位与强度。
• 通过同时拟合直接强度与峰位，采用𝜒²最小化方法提取𝐽∥、𝐽±与自旋on能隙Δ，其中比例因子𝑎作为自由参数。
• 对动量积分以获得局域态密度，与长波长QED模型进行比较，固定参数为晶格常数𝑎0 = 10.6 × 10⁻¹⁰ m，𝛼 = 0.08，𝜉 = 0.51。

实验结果

研究问题

• RQ1 三维量子自旋液体中是否存在分数化自旋on激发？
• RQ2 Ce2Sn2O7中观测到的谱是否与量子自旋冰的π通量相一致？
• RQ3 超高分辨率中子谱学能否分辨出自旋on对产生所预测的能隙多峰结构？
• RQ4 通过光谱拟合确定的Ce2Sn2O7中有效交换参数𝐽∥和𝐽±分别为多少？
• RQ5 涌现量子电动力学的理论模型在多大程度上能描述量子自旋冰中的中子散射响应？

主要发现

• Ce2Sn2O7中测得的非弹性磁响应呈现出具有多个峰的能隙谱，与量子自旋冰π通量相的理论预测完全一致。
• 对Udagawa与Moessner模型的最佳拟合得到𝐽∥ = 48 𝜇eV，𝐽± = −5.2 𝜇eV，环交换项𝐽ring = 0.73 𝜇eV。
• 对Desrochers等人规范平均场理论的拟合结果为𝐽∥ = 69 𝜇eV，𝐽± = −17 𝜇eV，𝐽ring = 12.4 𝜇eV，表明其量子涨落强于先前假设。
• 利用Udagawa-Moessner参数与QED模型，测得自旋on能隙为2Δ = 18 𝜇eV，与谱中观测到的阈值一致。
• 谱中多峰结构被确认为π通量相的特定光谱特征，为三维体系中分数化的直接证据。
• 多种理论模型与实验结果的高度一致，证实了在三维量子自旋液体中，分数化自旋on与涌现规范场之间存在强耦合。