[论文解读] Fragility of the nematic spin liquid induced by diagonal couplings in the square-lattice SU(3) model

Xiaotian Zhang, Wen-Jun Hu+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2021

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 50被引用 3

一句话总结

本研究采用大尺度密度矩阵重整化群（DMRG）模拟，研究了正方晶格上自旋-1 SU(3)模型中向列自旋液体的稳定性。通过引入破坏双子晶格结构的对角线次近邻耦合，作者发现即使极微弱的此类相互作用也会诱导出三子晶格磁序，表明向列自旋液体极为脆弱，其产生源于二子晶格与三子晶格涨落之间的竞争。

ABSTRACT

We present a large-scale density matrix renormalization group (DMRG) study of the spin-$1$ SU(3) bilinear-biquadratic model on the square lattice, which was suggested to host a nematic spin liquid state in recent DMRG calculations. We report that this spin liquid appears to strongly compete with a three-sublattice magnetic order. To further study the competition between the two states, and the reason of the emergent nematic spin liquid, we included an additional next-nearest-neighbor SU(3) symmetric interactions along one of the two plaquette diagonal directions. This allows to tune the square-lattice model to the triangular-lattice model. By computing spin correlation functions and various order parameters, we find that the three-sublattice order may develop at infinitesimal additional new coupling, at least within the precision of our study. Compared with the previous findings that the nematic spin liquid is stable in extended parameter regions with additional couplings that respect the lattice symmetries of the square lattice, we argue that here the diagonal couplings, which frustrate the bipartite-lattice structure, rapidly suppress the two-sublattice fluctuations and the three-sublattice order thus wins. This numerical result is consistent with the conjecture that the nematic spin liquid emerges from the competition between two- and three-sublattice fluctuations.

研究动机与目标

• 研究正方晶格上自旋-1 SU(3)双线性-双二次模型中向列自旋液体相的稳定性。
• 理解晶格对称性与几何 frustration 在稳定非寻常量子相中的作用。
• 考察破坏双子晶格结构的对角线次近邻耦合如何影响向列自旋液体与磁序之间的竞争。
• 阐明向列自旋液体作为二子晶格与三子晶格涨落竞争结果的起源。

提出的方法

• 在x方向采用开放边界条件、y方向采用周期性边界条件的圆柱几何结构上进行大规模密度矩阵重整化群（DMRG）模拟。
• 沿一个对角方向（ex+y）引入次近邻SU(3)对称相互作用，实现从正方晶格到三角晶格模型的插值。
• 计算自旋关联函数及多种序参量，以区分向列自旋液体与三子晶格磁序。
• 将对角耦合强度从零（正方晶格）调节至有限值（三角晶格），以探测相竞争行为。
• 采用边界条件偏移的DMRG方法以匹配三子晶格结构，便于与先前研究进行比较。
• 分析系统对极微弱对角耦合的响应，以评估向列自旋液体的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在正方晶格SU(3)模型中，当引入对角线次近邻耦合时，向列自旋液体态是否仍保持稳定？
• RQ2 破坏双子晶格结构的对角耦合如何影响二子晶格与三子晶格涨落之间的竞争？
• RQ3 极微弱的对角耦合是否能在系统中诱导出三子晶格磁序？
• RQ4 为何向列自旋液体在正方晶格SU(3)模型中作为竞争态出现？
• RQ5 与保持正方晶格对称性的对称耦合相比，对角耦合的引入如何改变相图？

主要发现

• 向列自旋液体态在对角线次近邻耦合下极为脆弱，即使耦合强度极小，三子晶格磁序即迅速形成。
• 引入对角耦合破坏了双子晶格结构，迅速抑制了二子晶格涨落，转而有利于三子晶格序。
• 即使对角耦合极弱，三子晶格序参量也显著增加，表明两种涨落通道之间存在强烈竞争。
• 结果支持向列自旋液体源于二子晶格与三子晶格涨落竞争的猜想。
• 向列自旋液体的脆弱性归因于晶格对称性的丧失以及由此引发的三子晶格涨落增强。
• 本研究证实，向列自旋液体在倾向于形成三子晶格序的对称性破缺微扰下并不稳定。