[论文解读] Nesting instability of gapless U(1) spin liquids with spinon Fermi pockets in two dimensions

Wilhelm G. F. Krüger, Lukas Janssen|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2021

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 147被引用 9

一句话总结

本文表明，在二维Kitaev材料中，具有自旋子费米口袋的无能隙U(1)自旋液体在低温下由于嵌套驱动的不稳定性而变得不稳定。通过重整化群和平均场理论，作者证明电子相互作用会在自旋子能谱中打开一个能隙，导致磁单极子凝聚和自旋子禁闭，最终形成传统的价键固态基态，而非稳定的自旋液体。

ABSTRACT

Quantum spin liquids are exotic states of matter that may be realized in frustrated quantum magnets and feature fractionalized excitations and emergent gauge fields. Here, we consider a gapless U(1) spin liquid with spinon Fermi pockets in two spatial dimensions. Such a state appears to be the most promising candidate to describe the exotic field-induced behavior observed in numerical simulations of the antiferromagnetic Kitaev honeycomb model. A similar such state may also be responsible for the recently-reported quantum oscillations of the thermal conductivity in the field-induced quantum paramagnetic phase of $\alpha$-RuCl$_3$. We consider the regime close to a Lifshitz transition, at which the spinon Fermi pockets shrink to small circles around high-symmetry points in the Brillouin zone. By employing renormalization group and mean-field arguments, we demonstrate that interactions lead to a gap opening in the spinon spectrum at low temperatures, which can be understood as a nesting instability of the spinon Fermi surface. This leads to proliferation of monopole operators of the emergent U(1) gauge field and confinement of spinons. While signatures of fractionalization may be observable at finite temperatures, the gapless U(1) spin liquid state with nested spinon Fermi pockets is ultimately unstable at low temperatures towards a conventional long-range-ordered ground state, such as a valence bond solid. Implications for Kitaev materials in external magnetic fields are discussed.

研究动机与目标

• 研究在二维Kitaev系统中，接近Lifshitz相变时，具有自旋子费米口袋的无能隙U(1)自旋液体的稳定性。
• 确定相互作用是否能驱动从无能隙自旋液体到能隙化、禁闭相的相变。
• 通过自旋子费米面嵌套机制解释α-RuCl3及其类似Kitaev材料中观测到的场诱导量子顺磁相。
• 阐明U(1)自旋液体态在低温下的最终命运，特别是在量子振荡和热霍尔效应实验的背景下。

提出的方法

• 应用功能型重整化群（FRG）分析费米面附近的低能量子涨落。
• 采用平均场理论研究自旋子费米面因嵌套导致的不稳定性。
• 将系统建模为在布里渊区高对称点（Γ, K, K'）附近的自旋子费米口袋的U(1)自旋液体。
• 分析外加磁场增强、接近Lifshitz相变（费米口袋收缩为点）时的影响。
• 研究在能隙打开后，紧致U(1)规范场中磁单极算符的出现。
• 利用希格斯机制描述自旋子的禁闭及向价键固态的相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在二维Kitaev系统中，具有自旋子费米口袋的无能隙U(1)自旋液体在低温下是否稳定？
• RQ2 自旋子费米面的嵌套是否可导致能隙打开和自旋子禁闭？
• RQ3 此类自旋液体所形成的低温基态具有何种性质？
• RQ4 相互作用和规范涨落如何影响自旋子费米面的稳定性？
• RQ5 磁单极子凝聚在涌现U(1)规范场的禁闭相变中起什么作用？

主要发现

• 相互作用在自旋子费米面引发嵌套不稳定性，导致低温下自旋子能谱出现能隙。
• 能隙打开由前向散射过程增强嵌套不稳定性所驱动。
• 在紧致U(1)规范场中，磁单极算符发生凝聚，标志向禁闭相的转变。
• 自旋子变为能隙化并被禁闭，最终形成传统的价键固态基态。
• U(1)自旋液体在低温下不稳定，无法作为稳定的量子自旋液体持续存在。
• 结果解释了α-RuCl3及其类似Kitaev材料中场诱导自旋液体的抑制，与量子振荡和热霍尔效应的实验观测一致。