[论文解读] Quantum versus classical effects at zero and finite temperature in the quantum pyrochlore Yb$_2$Ti$_2$O$_7$

Hitesh J. Changlani|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2017

Advanced Condensed Matter Physics被引用 6

一句话总结

本研究通过在32个自旋的晶格上应用有限温度Lanczos方法，证明了量子效应对于准确描述量子pyrochlore材料Yb2Ti2O7在有限温度下的行为至关重要。结果表明，量子修正显著重正化了有序温度，并解释了实验中观测到的再entrant lobed相图，支持了低温下存在铁磁基态的结论，尽管经典模型无法捕捉其关键特征。

ABSTRACT

We study the finite temperature properties of the candidate quantum spin ice material Yb$_2$Ti$_2$O$_7$ within the framework of an anisotropic nearest-neighbor spin $1/2$ model on the pyrochlore lattice. Using a combination of finite temperature Lanczos and classical Monte Carlo methods, we highlight the importance of quantum mechanical effects for establishing the existence and location of the low-temperature ordering transition. We perform simulations of the 32 site cluster, which capture the essential features of the specific heat curve seen in the cleanest known samples of this material. Focusing on recent experimental findings on Yb$_2$Ti$_2$O$_7$ [A. Scheie et al., Phys. Rev. Lett. 119, 127201 (2017) and J. D. Thompson et al., Phys. Rev. Lett. 119, 057203 (2017)], we then address the question of how the phase boundary between the ferromagnetic and paramagnetic phases changes when subjected to a magnetic field. We find that the quantum calculations explain discrepancies observed with a completely classical treatment and show that Yb$_2$Ti$_2$O$_7$ displays significant renormalization effects, which are at the heart of its reentrant lobed phase diagram. Finally, we develop a qualitative understanding of the existence of a ferromagnet by relating it to its counterpart that exists in the vicinity of the classical ice manifold.

研究动机与目标

• 为解决Yb2Ti2O7的有限温度性质中经典模型与实验结果之间的差异，特别是再entrant lobed相图的差异。
• 确定量子力学效应是否对正确预测低温有序转变和比热异常至关重要。
• 通过将微扰结果与非微扰模拟相联系，确定Yb2Ti2O7中基态的性质。
• 研究在[111]方向外加磁场下磁有序与磁化强度的演化行为。
• 验证有限温度Lanczos方法在受挫量子自旋系统大Hilbert空间中的适用性。

提出的方法

• 在具有各向异性自旋-1/2相互作用的32个自旋pyrochlore晶格上应用有限温度Lanczos方法（FTLM）。
• 采用来自实验与理论研究的模型参数（Ross et al. 2011；Thompson et al. 2017）。
• 将量子模拟结果与经典蒙特卡洛结果进行比较，以分离出量子贡献。
• 通过调节参数λ从经典冰态的λ=0到Yb2Ti2O7的参数λ=1，追踪基态的绝热演化过程。
• 分析磁化强度、比热与能量谱随温度和磁场的变化关系。
• 使用精确对角化技术及大规模计算资源（HHPC，MARCC），处理每个动量区段约5.36亿个量子态的Hilbert空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子效应如何影响Yb2Ti2O7在有限温度下的比热与相变行为？
• RQ2 为何经典模型无法再现Yb2Ti2O7在外加磁场下观测到的再entrant lobed相图？
• RQ3 Yb2Ti2O7的基态性质为何？其为铁磁态还是高度简并的顺磁态？
• RQ4 在Yb2Ti2O7中，有序温度Tc如何随[111]方向外加磁场的变化而演化？
• RQ5 微扰铁磁态能否在Yb2Ti2O7中与非微扰基态实现绝热连接？

主要发现

• 量子效应显著重正化了有序温度Tc，在外加[111]磁场0.1 K至0.15 T范围内，使其升高约0.1 K。
• 有限温度Lanczos方法成功再现了比热中的Schottky异常，其峰值位于2.4 K，与最纯净Yb2Ti2O7样品的实验数据一致。
• 在h ≈ 0.15 T附近磁化强度M(T,h)出现平滑的拐点，表明从铁磁序向顺磁序的相变发生，且Tc在中间磁场区域下降。
• 在小磁场下（h < 0.55 T）存在非零磁化强度，且磁化强度随磁场增加而上升，支持低温下存在铁磁基态。
• 基态能量从微扰区段（λ=0）平滑演化至非微扰的Yb2Ti2O7参数区段（λ=1），表明冰态的基态与实验观测到的铁磁态之间存在绝热连接。
• 经典蒙特卡洛模拟无法正确捕捉Tc与相边界，凸显了在准确描述Yb2Ti2O7时量子处理的必要性。