[論文レビュー] Nesting instability of gapless U(1) spin liquids with spinon Fermi pockets in two dimensions

Wilhelm G. F. Krüger, Lukas Janssen|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2021

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ひとこと要約

本論文は、2次元Kitaev材料におけるスピンオンフェルミポケットを有するギャップレスU(1)スピン液体が、ネスティング駆動の不安定性により低温で不安定であることを示している。再生化群および平均場理論を用いて、著者らは電子相互作用がスピンオンスペクトルにギャップを開くことを示し、モノポールの増殖とスピンオンの閉じ込めを引き起こし、最終的に安定なスピン液体ではなく、従来の価鍵固体基底状態に至ることを明らかにした。

ABSTRACT

Quantum spin liquids are exotic states of matter that may be realized in frustrated quantum magnets and feature fractionalized excitations and emergent gauge fields. Here, we consider a gapless U(1) spin liquid with spinon Fermi pockets in two spatial dimensions. Such a state appears to be the most promising candidate to describe the exotic field-induced behavior observed in numerical simulations of the antiferromagnetic Kitaev honeycomb model. A similar such state may also be responsible for the recently-reported quantum oscillations of the thermal conductivity in the field-induced quantum paramagnetic phase of $\alpha$-RuCl$_3$. We consider the regime close to a Lifshitz transition, at which the spinon Fermi pockets shrink to small circles around high-symmetry points in the Brillouin zone. By employing renormalization group and mean-field arguments, we demonstrate that interactions lead to a gap opening in the spinon spectrum at low temperatures, which can be understood as a nesting instability of the spinon Fermi surface. This leads to proliferation of monopole operators of the emergent U(1) gauge field and confinement of spinons. While signatures of fractionalization may be observable at finite temperatures, the gapless U(1) spin liquid state with nested spinon Fermi pockets is ultimately unstable at low temperatures towards a conventional long-range-ordered ground state, such as a valence bond solid. Implications for Kitaev materials in external magnetic fields are discussed.

研究の動機と目的

• 2次元Kitaev系におけるリーフシッツ転移付近のギャップレスU(1)スピン液体とスピンオンフェルミポケットの安定性を調査すること。
• 相互作用がギャップレススピン液体からギャップありで閉じこめられた相への転移を引き起こすかどうかを特定すること。
• α-RuCl3および類縁Kitaev材料で観測された場誘起量子パラ磁性相を、スピンオンフェルミ表面のネスティング機構によって説明すること。
• 特に量子振動および熱ホール効果実験の文脈において、低温でのU(1)スピン液体状態の運命を明確にすること。

提案手法

• フェルミ表面近くの低エネルギー量子揺らぎを分析するために、関数的再生化群(FRG)を適用する。
• スピンオンフェルミ表面のネスティングによる不安定性を調べるために、平均場理論を用いる。
• 系をブリユアンゾーン内の高対称点（Γ、K、K'）回りのスピンオンフェルミポケットを有するU(1)スピン液体としてモデル化する。
• 磁場の増大がフェルミポケットが点に縮小するリーフシッツ転移に近づくのを分析する。
• ギャップの開く際にコン pact U(1)ゲージ場にモノポール演算子が現れるのを検討する。
• ヒッグス機構を用いてスピンオンの閉じこめと価鍵固体への転移を記述する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元Kitaev系におけるスピンオンフェルミポケットを有するギャップレスU(1)スピン液体は低温で安定か？
• RQ2 スピンオンフェルミ表面のネスティングはギャップの開きとスピンオンの閉じこめを引き起こすか？
• RQ3 このようなスピン液体から生じる低温基底状態の性質は何か？
• RQ4 相互作用とゲージ揺らぎはスピンオンフェルミ表面の安定性にどのように影響するか？
• RQ5 発生するU(1)ゲージ場のモノポール増殖は、閉じこめ転移において果たす役割は何か？

主な発見

• 相互作用によりスピンオンフェルミ表面にネスティング不安定性が誘発され、低温でスピンオンスペクトルにギャップが開く。
• ネスティング不安定性を強化する前向き散乱過程がギャップの開きを駆動する。
• コンパクトU(1)ゲージ場においてモノポール演算子が増殖し、閉じこめ相への転移を示唆する。
• スピンオンはギャップ付きかつ閉じこめられ、従来の価鍵固体基底状態が形成される。
• U(1)スピン液体は低温で不安定であり、安定な量子スピン液体として持続できない。
• 結果は、α-RuCl3および類縁Kitaev材料における場誘起スピン液体の抑制を説明しており、量子振動および熱ホール効果の実験観察と整合的である。