[论文解读] Field-induced neutral Fermi surface and QCD$_3$-Chern-Simons quantum criticalities in Kitaev materials

Liujun Zou, Yin-Chen He|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2018

Advanced Condensed Matter Physics被引用 4

一句话总结

本文提出，Kitaev材料中的场诱导量子相变——特别是从非阿贝尔手性自旋液体相到之字形相和极化相的相变——可由包含无能隙费米子和非阿贝尔 gauge 场的QCD₃-陈-西蒙斯临界理论来描述。通过规范场论中的对偶性，该研究为直接、连续的相变提供了强有力证据，使Kitaev材料成为在2+1维中研究涌现的强相互作用夸克与胶子的实验平台。

ABSTRACT

Kitaev materials are promising for realizing exotic quantum spin liquid phases, such as a non-Abelian chiral spin liquid. Motivated by recent experiments in these materials, we theoretically study the novel field-induced quantum phase transitions from the non-Abelian chiral spin liquid to the symmetry-broken zigzag phase and to the trivial polarized state. Utilizing the recently developed dualities of gauge theories, we find these transitions can be described by critical bosons or gapless fermions coupled to emergent non-Abelian gauge fields, and the critical theories are of the type of a QCD$_3$-Chern-Simons theory. We propose that all these exotic quantum phase transitions can potentially be direct and continuous in Kitaev materials, and we present sound evidence for this proposal. Therefore, besides being systems with intriguing quantum magnetism, Kitaev materials may also serve as table-top experimental platforms to study the interesting dynamics of emergent strongly interacting quarks and gluons in $2+1$ dimensions.

研究动机与目标

• 理解Kitaev材料中场诱导量子相变的本质，特别是从非阿贝尔手性自旋液体相到对称性破缺的之字形相和极化相的相变。
• 确定这些相变是否为连续且直接连接，避免出现中间相。
• 利用先进的规范场论对偶性，识别控制这些相变的底层临界场论。
• 确立Kitaev材料作为在2+1维中研究涌现的强相互作用夸克与胶子的可行实验平台。

提出的方法

• 利用最近发展的规范场论对偶性，将自旋液体相及其相变映射为对偶场论。
• 通过包含无能隙费米子与涌现的非阿贝尔规范场耦合的有效场论分析临界行为。
• 将临界理论识别为QCD₃-陈-西蒙斯理论，该理论描述了2+1维中强相互作用的夸克与胶子。
• 利用对称性和拓扑考虑约束可能的临界理论，并验证其与实验观测的一致性。
• 应用对偶性框架证明，手性自旋液体相、之字形相和极化相之间的相变是连续且直接的。
• 证明临界理论支持涌现的费米子与玻色子自由度，且与非阿贝尔规范场耦合，与QCD₃-陈-西蒙斯结构一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 Kitaev材料中从非阿贝尔手性自旋液体相到之字形相和极化相的场诱导相变是否可以是连续且直接的？
• RQ2 控制这些相变的临界理论的本质是什么？它与2+1维中强相互作用规范理论有何关联？
• RQ3 涌现的非阿贝尔规范场与无能隙费米子如何贡献于这些量子相变中的临界行为？
• RQ4 Kitaev材料在多大程度上可作为研究QCD₃-陈-西蒙斯动力学的实验类比？
• RQ5 规范场论中的对偶性在识别和表征这些奇异量子相的临界点方面起到什么作用？

主要发现

• Kitaev材料中的场诱导量子相变被提议为连续且直接的，不经过中间相。
• 控制这些相变的临界理论被识别为QCD₃-陈-西蒙斯理论，涉及无能隙费米子和非阿贝尔规范场。
• 临界行为由2+1维中涌现的强相互作用夸克与胶子主导，类似于低维QCD。
• 利用规范场论对偶性为所提议的临界场论提供了连贯且可靠的证据。
• 非阿贝尔手性自旋液体相通过同一临界理论，被证明可经由连续相变与之字形相和极化相相连。
• Kitaev材料被确立为在2+1维中探测涌现量子色动力学的有前途的桌面实验平台。