[论文解读] Heat capacity from local moments in frustrated disordered quantum spin systems: scaling and data collapse

Itamar Kimchi, John P. Sheckelton+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 1

一句话总结

本文提出了一种关于受挫无序量子自旋系统中普遍低温标度的理论，通过涌现的随机singlet态区域（包含自旋-轨道耦合与Dzyaloshinskii-Moriya相互作用）解释了在比热中观测到的T/H数据坍缩。该理论推导出标度形式 C[H,T]/T ∼ H^{-γ}F_q[T/H]，其中在小x时 F_q[x] = x^q，且q ∈ {0,1,2} 取决于空间对称性，并与H₃LiIr₂O₆和ZnCu₃(OH)₆Cl₂等材料的实验结果一致。

ABSTRACT

Recently measurements on various spin-1/2 quantum magnets such as H$_3$LiIr$_2$O$_6$, LiZn$_2$Mo$_3$O$_8$, ZnCu$_3$(OH)$_6$Cl$_2$ and 1T-TaS$_2$ --- all described by magnetic frustration and quenched disorder but with no other common relation --- nevertheless showed apparently universal scaling features at low temperature. In particular the heat capacity C[H,T] in temperature T and magnetic field H exhibits T/H data collapse reminiscent of scaling near a critical point. Here we propose a theory for this scaling collapse based on an emergent random-singlet regime extended to include spin-orbit coupling and antisymmetric Dzyaloshinskii-Moriya (DM) interactions. We derive the scaling $C[H,T]/T \sim H^{-\gamma} F_q[T/H]$ with $F_q[x] = x^{q}$ at small $x$, with $q \in$ (0,1,2) an integer exponent whose value depends on spatial symmetries. The agreement with experiments indicates that a fraction of spins form random valence bonds and that these are surrounded by a quantum paramagnetic phase. We also discuss distinct scaling for magnetization with a $q$-dependent subdominant term enforced by Maxwell's relations.

研究动机与目标

• 解释H₃LiIr₂O₆和1T-TaS₂等不同受挫无序量子自旋系统中比热C[H,T]的普遍低温标度行为。
• 识别在无其他明显共同特征的多种材料中均观测到的T/H比热数据坍缩的微观起源。
• 建立一个理论框架，整合随机singlet物理、自旋-轨道耦合与Dzyaloshinskii-Moriya相互作用，以解释观测到的标度行为。
• 确定空间对称性在决定标度函数F_q[x] = x^q中小x区域指数q时的作用。

提出的方法

• 从包含随机singlet形成、自旋-轨道耦合及反称Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用的有效哈密顿量出发，推导出标度形式C[H,T]/T ∼ H^{-γ}F_q[T/H]。
• 利用重整化群论证分析涌现的随机singlet态区域，基于空间对称性确定标度指数q。
• 应用麦克斯韦关系推导磁化强度的独立标度行为，识别出与q相关的次主导项。
• 在小x时映射标度函数F_q[x] = x^q，其中q ∈ {0,1,2} 由系统的对称性类决定。
• 将该标度形式与多种量子磁体的实验数据进行验证，确认在不同材料中均实现数据坍缩。
• 确定随机singlet相作为局域价键存在的量子顺磁态的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同受挫无序量子自旋系统中，比热的普遍T/H数据坍缩的微观起源是什么？
• RQ2 自旋-轨道耦合与Dzyaloshinskii-Moriya相互作用如何影响这些系统中比热的标度行为？
• RQ3 标度函数F_q[x] = x^q中的指数q由什么决定，其与空间对称性有何关联？
• RQ4 磁化强度如何与比热相关联标度，麦克斯韦关系在此标度中起到何种作用？
• RQ5 随机singlet态区域在多大程度上解释了这些材料中观测到的量子顺磁行为？

主要发现

• 推导出比热标度形式C[H,T]/T ∼ H^{-γ}F_q[T/H]，其中在小x时F_q[x] = x^q，且q ∈ {0,1,2} 取决于空间对称性。
• 该理论解释了在H₃LiIr₂O₆、LiZn₂Mo₃O₈、ZnCu₃(OH)₆Cl₂和1T-TaS₂等材料实验中观测到的普遍T/H数据坍缩。
• 部分自旋形成随机价键，嵌入于由无序和自旋-轨道耦合稳定的量子顺磁相中。
• 磁化强度表现出独特的标度行为，其包含与q相关的次主导项，由麦克斯韦关系强制决定。
• 理论与实验的一致性支持了这些受挫量子磁体中存在涌现随机singlet态区域。
• 标度指数q由系统的空间对称性决定，为对称性与低能热力学行为之间建立了联系。