[论文解读] How many spin liquids are there in Ca$_{10}$Cr$_7$O$_{28}$?

Rico Pohle, Han Yan+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2017

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 2被引用 7

一句话总结

本研究通过大规模分子动力学模拟揭示，Ca₁₀Cr₇O₂₈在不同时间尺度下表现出两种不同的自旋液体行为：一种是缓慢的、能隙关闭的“螺旋自旋液体”，其在动量空间中具有环状结构；另一种是较快的涨落，类似于 kagome 晶格的 U(1) 自旋液体。在 1 T 磁场下，量子自旋液体基态出现，此时横向自旋能隙关闭，其机理由由双层呼吸-kagome 晶格中三角形晶胞形成的蜂窝晶格上的有效自旋-3/2 Heisenberg 模型解释。

ABSTRACT

The search for novel phases of matter is a central theme of modern physics, with some of the most intriguing examples provided by the spin liquids found in magnets with competing, or "frustrated" interactions. Ca$_{10}$Cr$_7$O$_{28}$, a novel spin-$1/2$ magnet with a bilayer breathing-kagome lattice, has properties which differ from from any known spin liquid. However, understanding Ca$_{10}$Cr$_7$O$_{28}$ presents a significant challenge, because of its complex frustration. Here we use large-scale molecular-dynamics simulation to explore the origin of spin-liquid behaviour in Ca$_{10}$Cr$_7$O$_{28}$. We uncover qualitatively different behaviour on different timescales, and argue that ground state of Ca$_{10}$Cr$_7$O$_{28}$ is born out of a slowly-fluctuating "spiral spin liquid", while faster fluctuations echo the U(1) spin liquid found in the kagome antiferromagnet. These results provide a concrete scenario for spin-liquid behaviour in Ca$_{10}$Cr$_7$O$_{28}$, and highlight the possibility of spin liquids existing on multiple timescales.

研究动机与目标

• 为解决具有双层呼吸-kagome 晶格的自旋-1/2 磁性材料 Ca₁₀Cr₇O₂₈ 中非平凡量子自旋液体行为的起源。
• 理解为何非弹性中子散射实验同时观测到“蝴蝶结”状和环状散射特征，这些特征与已知的自旋液体相不同。
• 确定由于不同时间尺度的动力学，多种自旋液体特性是否在同一个体系中共存。
• 解释在静态结构因子 S(q, ω=0) 中观察到的简并环状结构的起源，该结构此前由 PFFRG 预测但尚未被理解。
• 阐明 1 T 磁场在关闭横向自旋能隙并稳定量子自旋液体基态中的作用。

提出的方法

• 对 Ca₁₀Cr₇O₂₈ 中双层呼吸-kagome (BBK) 晶格的最小 Heisenberg 哈密顿量进行了大规模半经典分子动力学 (MD) 模拟，采用实验测得的交换参数。
• 模拟解析了多时间尺度下的自旋动力学，区分了与螺旋自旋液体相关的慢速涨落和类似 kagome 自旋反铁磁性的快速涨落。
• 通过将系统映射到由 BBK 晶格中三角形晶胞上的铁磁关联自旋-1/2 时刻构成的蜂窝晶格上的有效自旋-3/2 Heisenberg 模型，解释了低能区观察到的简并自旋构型环的起源。
• 分析了系统对外部磁场的响应，特别关注在 1 T 时横向自旋能隙的开启与关闭。
• 计算了自旋结构因子和动态关联函数，并与非弹性中子散射 (INS) 数据及 PFFRG 结果直接对比。
• 利用动画和时间分辨分析可视化了集体自旋运动，区分了纵向和横向涨落。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么导致了在 Ca₁₀Cr₇O₂₈ 的非弹性中子散射中同时出现‘蝴蝶结’状和环状散射特征？
• RQ2 一个单一的量子基态如何在不同时间尺度下表现出两种不同自旋液体相的特征？
• RQ3 在静态结构因子 S(q, ω=0) 中观察到的简并环的起源是什么？
• RQ4 为什么横向自旋能隙恰好在 1 T 时关闭，该磁场如何调控系统进入量子自旋液体基态？
• RQ5 Ca₁₀Cr₇O₂₈ 中复杂的自旋液体行为能否通过在更简单晶格（如蜂窝晶格）上的有效模型来解释？

主要发现

• Ca₁₀Cr₇O₂₈ 的基态是在 1 T 磁场下稳定的量子自旋液体，此时横向自旋能隙关闭。
• 在低能区，系统表现出一种‘螺旋自旋液体’，其特征是动量空间中存在简并的自旋构型环，该现象源于 1 T 时横向能隙的关闭。
• 在较高能量下，涨落类似于 kagome 反铁磁体中的 U(1) 自旋液体，散射中显示出明显的针状点。
• 在较高能量下观察到的‘蝴蝶结’结构，是由于在 1 T 时横向能隙关闭，导致针状点与纵向激发合并所致。
• 螺旋自旋液体可通过由 BBK 晶格中三角形晶胞上铁磁关联的自旋-1/2 时刻构成的蜂窝晶格上的有效自旋-3/2 Heisenberg 模型来理解。
• 模拟定量再现了 1 T 的临界场，并捕捉到了实验中观察到的显著散射特征，验证了该模型及双重时间尺度自旋液体情景。