[论文解读] Exceptional E$_8$ symmetry in spin dynamics of quasi-one-dimensional antiferromagnet BaCo$_2$V$_2$O$_8$

Haiyuan Zou, Yuliang Cui+8 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2020

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 1

一句话总结

本研究通过实验验证了准一维反铁磁体 BaCo₂V₂O₈ 的自旋激发谱中长期预测的 E₈ 异常李代数对称性。利用核磁共振和非弹性中子散射，作者识别出全部八种单粒子 E₈ 激发态及多种多体束缚态，首次在接近量子临界点的量子材料中直接观测到完整的 E₈ 谱。

ABSTRACT

Exotic excitations can emerge in the vicinity of a quantum phase transition. When the quantum critical point of the one-dimensional (1D) transverse field Ising model is perturbed by a longitudinal magnetic field, it was predicted that its massive excitations are precisely described by the exceptional E$_8$ Lie algebra. Here we show an unambiguous experimental realization of the massive E$_8$ phase in the quasi-1D antiferromagnetic material BaCo$_2$V$_2$O$_8$, via nuclear magnetic resonance and inelastic neutron scattering measurements, and detailed theoretical analysis. The large separation between the masked 1D and 3D quantum critical points of the system allows us to identify, for the first time, the full 8 single-particle E$_8$ excitations as well as various multi-particle states in the spin excitation spectrum. Our results open new experimental route for exploring the dynamics of quantum integrable systems and physics beyond integrability, and thus bridge key physics in condensed matter and statistical field theory.

研究动机与目标

• 在接近量子临界点的量子材料中实验实现 E₈ 异常李代数对称性。
• 在自旋系统中识别出 E₈ 理论所预测的全部八种单粒子激发态。
• 在受控的凝聚 matter 平台中探测量子可积系统的动力学及其超越可积性的偏离。
• 在统计场论的理论预测与实验量子磁学之间建立桥梁。

提出的方法

• 通过高分辨率非弹性中子散射测量 BaCo₂V₂O₈ 的自旋激发谱。
• 通过核磁共振（NMR）测量探测局域自旋动力学并确认重模式的存在。
• 分析能谱中 E₈ 代数的特征信号，特别是特征质量比和简并性。
• 将实验数据与含纵向场的微扰一维横向场伊辛模型的理论预测进行比较。
• 利用详细的理论建模区分单粒子 E₈ 激发态与多体束缚态。
• 利用一维与三维量子临界点之间的大分离，隔离 E₈ 相并最小化交叉效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在量子自旋系统中实验观测到完整的 E₈ 异常李代数对称性？
• RQ2 E₈ 理论所预测的八种单粒子激发态是否在 BaCo₂V₂O₈ 的自旋激发谱中实现？
• RQ3 在该系统量子临界点附近，多体束缚态如何产生？
• RQ4 所观测谱与微扰一维横向场伊辛模型的理论预测在多大程度上一致？
• RQ5 能否在具有可调参数的真实材料中实验探测量子可积系统的动力学？

主要发现

• 在 BaCo₂V₂O₈ 的自旋激发谱中，实验识别出 E₈ 李代数所预测的全部八种单粒子激发态。
• 观测到的能级表现出 E₈ 理论所预测的特征质量比，证实了激发态的代数结构。
• 谱中解析出多种多体束缚态，与 E₈ 可积场论的理论预期一致。
• 一维与三维量子临界点之间的大分离使得 E₈ 相的观测清晰，且显著减少了交叉效应。
• NMR 与中子散射数据在定量上与理论预测一致，验证了真实量子材料中的 E₈ 对称性。
• 本工作在量子场论预测与凝聚态系统之间建立了直接的实验联系，为研究量子临界性与可积性开辟了新途径。