[论文解读] Deconfined quantum critical point lost in pressurized SrCu2(BO3)2

Jing Guo, Pengyu Wang+12 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2023

Advanced Condensed Matter Physics被引用 4

一句话总结

本研究通过实验证明，在压力作用下，SrCu2(BO3)2中由晶格 singlet (PS) 相与反铁磁 (AF) 相之间的量子相变为一级相变，而非受 confinement 限制的量子临界点 (DQCP)。高压比热测量揭示了一级相变以及一个压力诱导的双临界点，即 PS 相与 AF 相的相变线在此处交汇，这与理论预测的连续 DQCP 相矛盾，但与近期的量子纠缠分析结果一致。

ABSTRACT

In the field of correlated electron materials, the relation between the resonating spin singlet and antiferromagnetic states has long been an attractive topic for understanding of the interesting macroscopic quantum phenomena, such as the ones emerging from magnetic frustrated materials, antiferromagnets and high-temperature superconductors. SrCu2(BO3)2 is a well-known quantum magnet, and it is theoretically expected to be the candidate of correlated electron material for clarifying the existence of a pressure-induced deconfined quantum critical point (DQCP), featured by a continuous quantum phase transition, between the plaquette-singlet (PS) valence bond solid phase and the antiferromagnetic (AF) phase. However, the real nature of the transition is yet to be identified experimentally due to the technical challenge. Here we show the experimental results for the first time, through the state-of-the-art high-pressure heat capacity measurement, that the PS-AF phase transition of the pressurized SrCu2(BO3)2 at zero field is clearly a first-order one. Our result clarifies the more than two-decade long debates about this key issue, and resonates nicely with the recent quantum entanglement understanding that the theoretically predicted DQCPs in representative lattice models are actually a first-order transition. Intriguingly, we also find that the transition temperatures of the PS and AF phase meet at the same pressure-temperature point, which signifies a bi-critical point as those observed in Fe-based superconductor and heavy-fermion compound, and constitutes the first experimental discovery of the pressure-induced bi-critical point in frustrated magnets. Our results provide fresh information for understanding the evolution among different spin states of correlated electron materials under pressure.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于 SrCu2(BO3)2 在压力下是否具有受 confinement 限制的量子临界点 (DQCP) 的争议。
• 确定 SrCu2(BO3)2 中由晶格 singlet (PS) 费米子键固体相与反铁磁 (AF) 相之间的量子相变的本质。
• 研究 PS 相与 AF 相的相变线在压力下是否在压力-温度平面中交汇于一点，以确定是否存在双临界点。
• 为近期理论观点提供实验证据，即格点模型中的 DQCP 实际上是一级相变。

提出的方法

• 在单晶 SrCu2(BO3)2 上进行高压比热测量，压力范围达 10 GPa，以探测 PS-AF 相变区域的热力学行为。
• 在零磁场条件下进行测量，以隔离本征的量子相变。
• 通过分析相变点附近比热的发散与不连续性，对相变阶数进行分类。
• 通过识别多个压力下的相变温度，构建压力-温度相图。
• 将实验数据与一级相变和 DQCP 的理论预期进行对比。
• 通过 PS 相与 AF 相相变线在单一压力-温度点交汇，推断双临界点的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 在压力作用下，SrCu2(BO3)2 中晶格 singlet 相与反铁磁相之间的量子相变是否为连续的受 confinement 限制的量子临界点 (DQCP)，还是为一级相变？
• RQ2 PS 相与 AF 相的相变线是否在压力-温度平面中交汇于一点，表明存在双临界点？
• RQ3 实验结果与近期理论预测相比如何，即格点模型中的 DQCP 实际上是一级相变？
• RQ4 量子纠缠在决定该阻挫量子磁体中相变本质方面起什么作用？
• RQ5 高压比热测量能否解决 SrCu2(BO3)2 相图中长期存在的模糊性？

主要发现

• 在零磁场下，SrCu2(BO3)2 中 PS-AF 相变被明确证实为一级相变，其证据为相变温度处比热出现明显的不连续跳跃。
• PS 相与 AF 相的相变温度在单一压力-温度点汇聚，表明存在压力诱导的双临界点。
• 该双临界点是阻挫量子磁体中首次被实验证实的类似现象。
• 实验结果否定了 SrCu2(BO3)2 中存在 DQCP 的可能性，并支持近期理论发现，即此类 DQCP 实际上是一级相变。
• 数据与量子纠缠分析结果一致，表明在代表性格点模型中预测的 DQCP 不稳定，会坍缩为一级相变。
• 本研究解决了该典型量子磁体中关于量子相变本质长达 25 年以上的理论与实验争议。