[论文解读] First-order transition between the plaquette valence bond solid and antiferromagnetic phases of the Shastry-Sutherland model

Ning Xi, Hongyu Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2021

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 47被引用 4

一句话总结

本研究利用无限张量网络态，展示了在 Shastry-Sutherland 模型中，晶胞价键分子固体（VBS）相与反铁磁（AFM）相之间存在一种弱一级相变。研究识别出一种竞争性的全晶胞（FPL）态，其能量与空晶胞（EPL）基态相差小于 10⁻⁴J，提出在 EPL、FPL 与 AFM 相交汇的三重点处存在一个规范自禁的量子临界点（DQCP），该临界点由保持对称性的交替环交换相互作用所稳定。

ABSTRACT

We study the ground state phase diagram of the Shastry-Sutherland model by using the variational optimization of the infinite tensor network states, and find a weakly first-order transition between the plaquette and the antiferromagnetic states. The full plaquette state strongly competes with the empty plaquette ground state, with an energy difference less than $10^{-4}J$. We show a staggered ring exchange interaction that preserves the Shastry-Sutherland lattice symmetry can stabilize the full plaquette ground state. In light of this, we propose the triple point where the full plaquette, empty plaquette, and antiferromagnetic phases meet as a deconfined quantum critical point.

研究动机与目标

• 为解决 Shastry-Sutherland 模型中晶胞-AFM 相变本质的长期争议。
• 澄清中间相是空晶胞（EPL）态还是全晶胞（FPL）态，鉴于理论与实验报告存在矛盾。
• 研究在 EPL、FPL 与 AFM 相交汇处，是否存在一个规范自禁的量子临界点（DQCP）。
• 探讨对称性保持的微扰如何在不破坏晶格对称性的前提下，使 FPL 态优于 EPL 态。

提出的方法

• 在 Shastry-Sutherland 晶格上采用 16-PESS 张量网络结构，对无限投影纠缠单纯形态（PESS）进行变分优化。
• 使用 PESS 波函数精确计算晶胞相与反铁磁相的基态能量与序参量。
• 在哈密顿量中引入保持 Shastry-Sutherland 晶格对称性的交替环交换相互作用。
• 追踪能量导数 dE/dQ 及一级相变中的不连续性，以探测三重点附近的临界行为。
• 通过系统性计算不同键比 J/J′ 与张量键维数 D 的结果，确保收敛性与准确性。
• 构建广义模型的全局相图，以绘制 EPL、FPL 与 AFM 相，并识别三重点。

实验结果

研究问题

• RQ1 Shastry-Sutherland 模型中的晶胞-AFM 相变是一级还是连续相变？中间相的本质是什么？
• RQ2 在不破坏 Shastry-Sutherland 晶格对称性的前提下，能否使全晶胞（FPL）态成为基态？
• RQ3 交替环交换相互作用在调控基态在 EPL 与 FPL 构型之间转换中起什么作用？
• RQ4 在 EPL、FPL 与 AFM 相交汇的三重点处，是否存在一个规范自禁的量子临界点（DQCP）？
• RQ5 FPL 与 EPL 态之间的能量差异如何影响自旋液体相出现的可能性？

主要发现

• 在标准 Shastry-Sutherland 模型中，晶胞-AFM 相变为弱一级相变，相变点位于 J/J′ ≈ 0.79。
• 在标准模型中，空晶胞（EPL）态为基态，其能量低于相同键维数下的以往 iPEPS 与 DMRG 结果。
• 全晶胞（FPL）态在能量上几乎与 EPL 态简并，差异小于 10⁻⁴J。
• 保持 SS 晶格对称性的交替环交换相互作用可使 FPL 态成为基态。
• 在三重点处，能量导数 dE/dQ 的不连续性消失，表明相变为连续，与 DQCP 一致。
• 在 EPL-FPL-AFM 三重点处提出的 DQCP 展现出增强的 SO(5) 对称性，支持规范自禁量子临界性场景。