[论文解读] Proximate deconfined quantum critical point in SrCu2(BO3)2

Yi Cui, Lu Liu+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 7

一句话总结

本研究通过11B NMR在高压和磁场下对SrCu2(BO3)2中近邻的自禁量子临界点（DQCP）提供了实验证据，发现在2.4 GPa时出现量子临界标度和涌现的O(3)对称性。从 plaquette singlet相到反铁磁序的相变表现出减弱的一阶特征和临界涨落，支持了具有分数化激发和超越朗道-金兹堡-威尔逊理论的涌现对称性的DQCP情景。

ABSTRACT

The deconfined quantum critical point (DQCP) represents a paradigm shift in quantum matter studies, presenting a "beyond Landau" scenario for order--order transitions. Its experimental realization, however, has remained elusive. Using high-pressure $^{11}$B NMR measurements on the quantum magnet SrCu$_2$(BO$_3$)$_2$, we here demonstrate a magnetic-field induced plaquette-singlet to antiferromagnetic transition above 1.8 GPa at a remarkably low temperature, $T_{ m c}\simeq 0.07$ K. First-order signatures of the transition weaken with increasing pressure, and we observe quantum critical scaling at the highest pressure, 2.4 GPa. Supported by model calculations, we suggest that these observations can be explained by a proximate DQCP inducing critical quantum fluctuations and emergent O(3) symmetry of the order parameters. Our findings take the DQCP from a theoretical concept to a concrete experimental platform.

研究动机与目标

• 在传统朗道理论失效的量子磁体中识别自禁量子临界点（DQCP）的实验特征。
• 研究SrCu2(BO3)2中plaquette singlet与反铁磁序之间在磁场和压力调制下的量子相变。
• 利用高分辨率11B NMR探测在疑似DQCP附近的O(3)对称性涌现和量子临界标度。
• 确定所观测到的相变是否表现出具有分数化激发的连续量子临界点特征。
• 通过将理论预测与可观测的量子临界现象相联系，建立DQCP的明确实验平台。

提出的方法

• 在高达2.4 GPa压力和最高15 T磁场下，对SrCu2(BO3)2进行了高压11B核磁共振（NMR）测量。
• 测量自旋-晶格驰豫率（1/T1）随温度和磁场的变化，以探测量子临界涨落。
• 分析11B NMR位移和驰豫的温度依赖性，以提取自旋能隙和动态磁化率。
• 利用量子蒙特卡罗模拟和模型计算解释NMR数据，支持DQCP情景。
• 通过NMR信号和磁化率跳跃映射plaquette singlet相与反铁磁相之间的相边界。
• 分析模拟得到的序参量直方图，以检测临界点附近涌现的O(3)对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高压下，SrCu2(BO3)2中磁场诱导的相变是否表现出指示连续相变的量子临界标度？
• RQ2 在量子临界区是否可观察到如一阶特征减弱和O(3)对称性涌现等实验特征？
• RQ3 所观测到的临界行为是否与自禁量子临界点（DQCP）一致，而非传统的第一阶相变？
• RQ4 涌现的O(4)对称性及其在磁场下还原为O(3)对称性在稳定DQCP现象学中的作用是什么？
• RQ5 DQCP情景是否可在真实材料中实现，其可观测特征是什么？

主要发现

• 在2.4 GPa下，磁场诱导的相变从plaquette singlet转变为反铁磁序，临界温度Tc ≈ 0.07 K，且自旋-晶格驰豫率表现出量子临界标度。
• 随着压力增加，相变的一阶不连续性减弱，表明一阶特征被抑制，趋向于连续临界点。
• 在2.4 GPa时，1/T1在T > Tc区域表现出量子临界标度，支持临界量子涨落的存在。
• 模型计算得到的序参量直方图显示涌现的O(3)对称性，与DQCP情景一致。
• 所观测到的临界行为被解释为近邻DQCP，系统在零场下接近具有O(4)对称性的多临界点。
• 磁化率跳跃较小，且plaquette singlet与反铁磁特征共存，表明序参量旋转路径连续，无能量势垒，与DQCP现象学一致。