[论文解读] Classical spin models of the windmill lattice and their relevance for Pb Cu Te 2 O 6

Anna Fancelli, Johannes Reuther+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 72被引用 1

一句话总结

本研究探讨了在扭曲风车晶格上的经典海森堡模型，该模型与自旋液体候选材料PbCuTe2O6相关。通过调节近邻反铁磁耦合J3和J4，研究揭示了从磁有序态到具有广泛基态简并性的经典自旋液体相的转变，该相存在于共角八面体晶格上。研究还表明，经典模型中的热涨落能定量解释测量得到的动力学自旋结构因子的关键特征，尽管仍存在一些差异。

ABSTRACT

We investigate classical Heisenberg models on the distorted windmill lattice and discuss their applicability to the spin-1/2 spin liquid candidate PbCuTe2O6. We first consider a general Heisenberg model on this lattice with antiferromagnetic interactions Jn (n=1,2,3,4) up to fourth neighbors. Setting J1=J2 (as approximately realized in PbCuTe2O6) we map out the classical ground-state phase diagram in the remaining parameter space and identify a competition between J3 and J4 that opens up interesting magnetic scenarios. Particularly, these couplings tune the ground states from coplanar commensurate or non-coplanar incommensurate magnetically ordered states to highly degenerate ground-state manifolds with subextensive or extensive degeneracies. In the latter case, we uncover an unusual classical spin liquid defined on a lattice of corner-sharing octahedra. We then focus on the particular set of interaction parameters Jn that has previously been proposed for PbCuTe2O6 and investigate the system's incommensurate magnetic ground-state order and finite-temperature multistage ordering mechanism. We perform extensive finite-temperature simulations of the system's dynamical spin structure factor and compare it with published neutron scattering data for PbCuTe2O6 at low temperatures. Our results demonstrate that thermal fluctuations in the classical model can largely explain the signal distribution in the measured spin structure factor but we also identify distinct differences. Our investigations make use of a variety of different analytical and numerical approaches for classical spin systems, such as Luttinger-Tisza, classical Monte Carlo, iterative minimization, and molecular dynamics simulations.

研究动机与目标

• 理解在扭曲风车晶格上海森堡模型的经典基态相图，尤其在PbCuTe2O6的背景下。
• 研究竞争性J3与J4相互作用在稳定高度简并基态（包括经典自旋液体相）中的作用。
• 将有限温度下的经典模拟所得动力学自旋结构因子与PbCuTe2O6的实验中子散射数据进行比较。
• 评估经典热涨落在多大程度上可解释该候选自旋液体材料中观测到的自旋动力学。

提出的方法

• 采用Luttinger-Tisza方法，对包含至四阶近邻反铁磁耦合的海森堡模型进行经典基态相图的解析映射。
• 通过迭代最小化和经典蒙特卡洛模拟，研究基态简并度与有限温度下的序参数。
• 利用分子动力学模拟计算有限温度下的动力学自旋结构因子。
• 将模拟得到的自旋结构因子与PbCuTe2O6在低温下的实验中子散射数据进行比较。
• 聚焦于先前为PbCuTe2O6提出的特定参数集（J1 ≈ J2），以评估其与实验观测的一致性。
• 通过有限温度模拟分析系统的多阶段有序机制及自旋的非公度磁序。

实验结果

研究问题

• RQ1 竞争性J3与J4相互作用如何调控风车晶格上海森堡模型的经典基态？
• RQ2 当J3与J4引起广泛或次广泛简并时，基态简并集的性质是什么？
• RQ3 海森堡模型中的经典热涨落能否定量再现PbCuTe2O6中观测到的低温自旋结构因子？
• RQ4 共角八面体晶格几何结构在稳定经典自旋液体相中起什么作用？
• RQ5 系统的多阶段有序机制如何在动力学自旋结构因子中体现？

主要发现

• J3与J4之间的竞争导致从平面共度或非平面非共度磁序向具有广泛简并性的高度简并基态简并集的转变。
• 在共角八面体晶格上识别出一种经典自旋液体相，其特征为广泛基态简并度和非平面自旋构型。
• 有限温度下的经典蒙特卡洛与分子动力学模拟再现了PbCuTe2O6实测动力学自旋结构因子的整体信号分布。
• 尽管在定性上吻合良好，模拟与实验的自旋结构因子之间仍存在显著差异，表明经典模型在完全捕捉量子效应方面存在局限。
• 该系统表现出多阶段有序机制，非共度磁序在有限温度下出现，与实验观测一致。
• 具有J1 ≈ J2及经调节的J3、J4值的经典模型能为PbCuTe2O6中自旋液体样行为提供强有力解释，尽管在完整描述中量子涨落可能仍起作用。