[论文解读] Quantum phase transition from an antiferromagnet to a spin liquid in a metal

Tarun Grover, T. Senthil|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Oct 7, 2009

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 5

一句话总结

本文研究了在 Kondo-Heisenberg 晶格系统中从反铁磁金属到自旋液体的量子相变，表明当顺磁相为分数化费米液体（FL*）时，该相变仍保持强耦合且具有非平凡标度行为——与传统的 Hertz-Millis 理论不同。临界自旋涨落仅对导带电子性质产生次主导修正，且在量子临界点处电子准粒子仍保持良好定义。

ABSTRACT

We study quantum phase transitions from easy-plane antiferromagnetic metals to paramagnetic metals in Kondo-Heisenberg lattice systems. If the paramagnetic metal is a fractionalized Fermi liquid then the universal critical properties of the phase transition are unaffected for a weak Kondo coupling even when the Fermi surface intersects the magnetic zone boundary. This is in striking contrast to the conventional theory of phase transitions between paramagnetic and antiferromagnetic metals where any Kondo coupling is strongly relevant, and leads to a Landau-damped `Hertz-Millis' theory. The electron quasi-particle remains well-defined in the quantum critical regime and the critical spin fluctuations only contribute subleading corrections to the various properties of conduction electrons.

研究动机与目标

• 理解在磁序被破坏、局域自旋形成量子自旋液体的 Kondo-Heisenberg 系统中量子相变的本质。
• 研究当顺磁相为分数化费米液体（FL*）时，其临界行为与传统 Hertz-Millis 理论相比有何不同。
• 确定当顺磁相为 FL* 时，即使费米面与磁区边界相交，Kondo 耦合在量子临界点是否仍为无关项。
• 分析临界自旋涨落在量子临界点附近对导带电子准粒子性质的影响。

提出的方法

• 构建包含导带电子（Hc）、Kondo 耦合（HK）和局域自旋相互作用（Hint）的 Kondo-Heisenberg 哈密顿量，以模拟该系统。
• 采用场论方法分析相变，重点研究临界自旋涨落对导带电子格林函数自能修正的影响。
• 应用 Kramers-Kronig 关系，从自能虚部（由自旋-玻色子和费米/玻色统计推导）计算其实部。
• 在费米面与磁波矢 Q 相连的热点附近进行动量空间积分，利用角度分解（q∥, q⊥）分离临界贡献。
• 在零温与有限温度下评估自能，提取频率 ω 和温度 T 的幂律标度行为。
• 利用自能的标度形式表明，准粒子权重保持有限，表明尽管存在临界涨落，准粒子仍良好定义。

实验结果

研究问题

• RQ1 当顺磁相为分数化费米液体（FL*）时，从反铁磁金属到自旋液体的量子相变的临界行为如何不同于传统理论？
• RQ2 当费米面与 FL* 态中的磁区边界相交时，Kondo 耦合在量子临界区的作用是什么？
• RQ3 FL* 相中的临界自旋涨落是否导致导带电子准粒子强烈阻尼，还是其仍保持良好定义？
• RQ4 在此情形下，导带电子自能在量子临界点附近如何随频率 ω 和温度 T 标度？
• RQ5 FL* 相中的自旋涨落谱是否表现出 ω/T 标度，表明非费米液体临界行为？

主要发现

• 即使 Kondo 耦合较弱，该量子相变仍保持强耦合并表现出非平凡标度行为，包括自旋涨落谱中的 ω/T 标度。
• 在量子临界点处电子准粒子仍保持良好定义，因自能虚部按 |ω|^η 标度（η > 0），表明准粒子权重有限。
• 临界自旋涨落在导带电子性质中仅贡献次主导修正，与 Landau 阻尼的 Hertz-Millis 理论形成对比。
• 在有限温度下，热点处自能虚部按 T^η 标度，证实临界区中费米液体行为的破坏。
• 在热点之外，自能于低频下趋于零，除非 |k - k₀| ≲ T/c，表明临界效应局限于费米面热点附近。
• 热点附近自能实部按 J_K²(−ωΛ^(η−1) + ω^η) 标度，证实准粒子能谱受临界涨落影响但未被破坏。