[论文解读] Octupolar quantum spin ice: controlling spinons in a U(1) quantum spin liquid

Yaodong Li, Gang Chen|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2016

Advanced Condensed Matter Physics被引用 3

一句话总结

本文提出，由于在钙钛矿晶格上存在偶极-八极双态矩，Ce₂Sn₂O₇ 中存在一种八极型 U(1) 量子自旋液体（QSL），这使其与传统的偶极型 QSL 区分开来。该研究预测了独特的谱学响应以及在外磁场下发生的安德森-希格斯相变，为通过八极相互作用调控 U(1) QSL 中的自旋子提供了新途径。

ABSTRACT

We point out that the Ce local moment in the newly discovered quantum spin liquid (QSL) candidate material Ce$_2$Sn$_2$O$_7$ is a dipole-octupole doublet. The generic spin model that describes the interaction between these unusual doublets on a pyrochlore lattice has two distinct symmetry enriched U(1) QSL ground states in the corresponding quantum spin ice regime. These two U(1) QSLs are dubbed dipolar U(1) QSL and octupolar U(1) QSL. While the dipolar U(1) QSL has been discussed in many contexts, the octupolar U(1) QSL is rather unique. Based on the symmetry properties of the DO doublets, we predict the peculiar physical properties of the octupolar U(1) QSL, elucidating the unique spectroscopic properties in the external magnetic fields. We predict the Anderson-Higgs' transition from the octupolar U(1) QSL driven by the external magnetic fields. We explain the experimental relevance with the QSL candidate material Ce$_2$Sn$_2$O$_7$ and other dipole-octupole doublet systems.

研究动机与目标

• 识别并表征由钙钛矿体系中偶极-八极双态矩产生的新型 U(1) 量子自旋液体——八极型 U(1) QSL。
• 解释八极型 U(1) QSL 与传统偶极型 QSL 在对称性增强特性上的差异。
• 预测在外磁场下可实验观测到的谱学响应和相变行为。
• 确立 Ce₂Sn₂O₇ 及其他偶极-八极双态材料作为该奇异量子自旋液体实现形式的相关性。
• 探讨通过磁场调控实现八极型 QSL 中安德森-希格斯相变的可能性。

提出的方法

• 分析 Ce₂Sn₂O₇ 中偶极-八极（DO）双态的对称性特性，推导其在钙钛矿晶格上的有效自旋哈密顿量。
• 对所得的量子自旋冰模型进行分类，基于对称性增强，识别出两种不同的 U(1) QSL 相：偶极型与八极型。
• 利用群论与自旋液体场论，预测八极型 U(1) QSL 的独特低能激发与规范结构。
• 研究八极型 QSL 在外磁场下的响应，特别是通过安德森-希格斯机制出现的希格斯模。
• 将八极型 QSL 的谱学特征与传统 QSL 进行比较，以识别其独特的实验可分辨特征。
• 建立理论框架，说明磁场如何驱动八极型 QSL 向一个能隙化、有序的相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在钙钛矿晶格上，由偶极-八极双态相互作用产生的对称性增强的 U(1) 量子自旋液体相有哪些？
• RQ2 在外磁场存在下，八极型 U(1) QSL 在谱学上如何与传统偶极型 U(1) QSL 区分？
• RQ3 能否通过施加磁场在八极型 U(1) QSL 中诱导出安德森-希格斯相变？其相关的激发模式是什么？
• RQ4 在 Ce₂Sn₂O₇ 等材料中，哪些实验信号可将八极型 U(1) QSL 与其他量子自旋液体相区分开来？
• RQ5 通过调节磁场，对八极型 QSL 中自旋子动力学的调控程度有多大？

主要发现

• Ce³⁺ 在 Ce₂Sn₂O₇ 中的偶极-八极双态特性导致了一种独特的八极型 U(1) 量子自旋液体相，使其与传统偶极型 QSL 明显不同。
• 八极型 U(1) QSL 在外磁场下表现出独特的谱学响应，包括由于安德森-希格斯机制而出现的能隙希格斯模。
• 该模型预测，磁场可驱动八极型 QSL 向一个能隙化、有序的相转变，且希格斯模在非弹性中子散射或拉曼散射中可被观测到。
• DO 双态的对称性导致一种保护 U(1) 自旋液体的规范结构，具有涌现光子与禁闭的自旋子。
• 由于其对称性增强的拓扑序，八极型 QSL 对某些微扰具有鲁棒性，从而与其它 QSL 候选者相区分。
• Ce₂Sn₂O₇ 及其他偶极-八极双态体系被确认为实现并探测八极型 U(1) QSL 的理想实验候选材料。