[论文解读] Non-Fermi-liquid at (2+1)d ferromagnetic quantum critical point

Xiao Yan Xu, Kai Sun+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2016

Theoretical and Computational Physics被引用 9

一句话总结

本研究通过无符号问题的量子蒙特卡罗模拟，研究了二维费米子系统与伊辛铁磁临界涨落在耦合下的行为，展示了在 T = 0.025 下仍保持连续的巡游量子相变，且无超导序。在量子临界点，费米子传播子中显现出明显的非费米液体行为，表明其属于与 (2+1)d 伊辛理论及赫茨-米勒斯-森田理论预测均不同的新普适类。

ABSTRACT

We construct a two-dimensional lattice model of fermions coupled to Ising ferromagnetic critical fluctuations. Using extensive sign-problem-free quantum Monte Carlo simulations, we show that the model realizes a continuous itinerant quantum phase transition. In comparison with other similar itinerant quantum critical points (QCPs), our QCP shows much weaker superconductivity tendency with no superconducting state down to the lowest temperature investigated, hence making the system a good platform for the exploration of quantum critical fluctuations. Remarkably, clear signatures of non-Fermi-liquid behavior in the fermion propagators are observed at the QCP. The critical fluctuations at the QCP partially resemble Hertz-Millis-Moriya behavior. However, careful scaling analysis reveals that the QCP belongs to a different universality class, deviating from both (2+1)d Ising and Hertz-Millis-Moriya predictions.

研究动机与目标

• 研究巡游费米子系统在接近铁磁量子相变时的量子临界性本质。
• 确定超导不稳定性是否在这些系统中掩盖了真实的量子临界点。
• 通过分析费米子自能和自旋磁化率，识别临界点的普适类。
• 通过抑制竞争序，建立一个清晰的平台以研究非费米液体行为。
• 通过无偏数值模拟，检验赫茨-米勒斯-森田理论与(2+1)d伊辛理论的有效性。

提出的方法

• 构建一个二维晶格模型，其中巡游费米子与无能隙的伊辛铁磁涨落耦合。
• 采用行列式量子蒙特卡罗（QMC）模拟，实现无符号问题的数值计算。
• 分析费米子格林函数和自能，以检测非费米液体行为。
• 通过刚度 Kc 和 Ks 测量超流密度 ρc 和 ρs，以探测超导不稳定性。
• 计算费米子自旋磁化率 χF，以识别在 Q = (π, π) 和 Q = (0, 0) 处的软模。
• 利用有限尺寸标度和温度依赖性分析，区分平均场行为与异常标度行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在与伊辛铁磁涨落耦合的二维费米子系统中，是否会发生连续的巡游量子相变？
• RQ2 在量子临界点，超导不稳定性是否被抑制，从而实现对临界涨落的清晰研究？
• RQ3 临界点是否在费米子传播子中表现出非费米液体行为？若是，其起源为何？
• RQ4 该量子临界点的普适类是否与赫茨-米勒斯-森田理论或(2+1)d伊辛理论一致？
• RQ5 在 Q = (π, π) 处的软费米子双线性模对费米子自能和准粒子性质有何影响？

主要发现

• 系统在 T = 0.025 下仍表现出无任何超导序迹象的连续巡游量子相变，超流密度测量结果证实了这一点。
• 在最大系统尺寸下，超流密度之和 ρc + ρs 保持在 8/π T 以下，表明不存在准长程超导序。
• 费米子自能中观察到非费米液体行为，|ImΣ(ωn)| 随 ωn 减小而增大，与低频下 1/ωn 发散行为一致。
• 费米子自旋磁化率揭示了在 Q = (π, π) 处存在软模，除 Q = (0, 0) 处主导的铁磁涨落外，表明其在修改准粒子性质中起重要作用。
• 临界涨落在行为上偏离赫茨-米勒斯-森田理论与(2+1)d伊辛理论预测，表明该量子临界点属于新普适类。
• 所观测到的自能频率依赖性与一种模型一致：即具有交替符号的静态、空间均匀伊辛涨落导致自能中出现 1/ωn 频率依赖性。