[论文解读] Signatures of Quantum Spin Liquid in Kitaev-like Frustrated Magnets

Matthias Gohlke, Gideon Wachtel+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2017

Advanced Condensed Matter Physics被引用 1

一句话总结

本研究利用无限密度矩阵重整化组（iDMRG）方法，研究了蜂窝晶格上Kitaev-$\Gamma$模型中的量子自旋液体（QSL）相。通过两体激发谱展现出明确的二维色散关系，以及与$\alpha$-RuCl$_3$中中子散射数据匹配的动力学结构因子，提供了强有力的证据，支持了Majorana平均场理论的预测。

ABSTRACT

Motivated by recent experiments on $\alpha$-RuCl$_3$, we investigate a possible quantum spin liquid ground state of the honeycomb-lattice spin model with bond-dependent interactions. We consider the $K-\Gamma$ model, where $K$ and $\Gamma$ represent the Kitaev and symmetric-anisotropic interactions between spin-1/2 moments on the honeycomb lattice. Using the infinite density matrix renormalization group (iDMRG), we provide compelling evidence for the existence of quantum spin liquid phases in an extended region of the phase diagram. In particular, we use transfer matrix spectra to show the evolution of two-particle excitations with well-defined two-dimensional dispersion, which is a strong signature of quantum spin liquid. These results are compared with predictions from Majorana mean-field theory and used to infer the quasiparticle excitation spectra. Further, we compute the dynamical structure factor using finite size cluster computations and show that the results resemble the scattering continuum seen in neutron scattering experiments on $\alpha$-RuCl$_3$. We discuss these results in light of recent and future experiments.

研究动机与目标

• 研究具有键依赖相互作用的蜂窝晶格上Kitaev-$\Gamma$模型中是否存在量子自旋液体（QSL）相。
• 理解与$\alpha$-RuCl$_3$相关的几何阻挫自旋系统中低能激发的性质。
• 将数值结果与Majorana平均场理论对准粒子谱的预测进行比较。
• 模拟并解释类似于实验中子散射数据的动力学结构因子。
• 为近期及未来$\alpha$-RuCl$_3$实验提供理论指导。

提出的方法

• 应用无限密度矩阵重整化组（iDMRG）方法，研究无限蜂窝晶格上Kitaev-$\Gamma$模型的基态。
• 利用转移矩阵谱分析两体激发，并提取其二维色散关系。
• 通过有限尺寸簇计算，获得动力学结构因子，以与中子散射实验进行比较。
• 将数值结果与Majorana平均场理论的预测进行比较，推断准粒子激发谱。
• 系统性地探索相图，识别支持量子自旋液体行为的区域。
• 分析键依赖的Kitaev项和对称性各向异性的$\Gamma$项作为自旋液体物理的关键驱动力。

实验结果

研究问题

• RQ1 Kitaev-$\Gamma$模型在蜂窝晶格上是否在其相图的扩展区域内支持量子自旋液体基态？
• RQ2 在假设的量子自旋液体相中，两体激发谱的性质是什么？
• RQ3 数值计算的动力学结构因子与$\alpha$-RuCl$_3$中实验中子散射数据相比如何？
• RQ4 数值结果在多大程度上与Majorana平均场理论的预测一致？
• RQ5 在阻挫磁体中，哪些激发谱和动力学响应特征可用于识别量子自旋液体？

主要发现

• iDMRG结果在Kitaev-$\Gamma$模型相图的扩展区域内提供了强有力的证据，表明存在量子自旋液体相。
• 两体激发展现出明确的二维色散关系，这是量子自旋液体的关键特征。
• 转移矩阵谱揭示了这些激发的演化，支持了无能隙或有能隙自旋液体行为的存在。
• 计算得到的动力学结构因子显示出与$\alpha$-RuCl$_3$中子散射实验观测到的散射连续谱相似的特征。
• 结果与Majorana平均场理论一致，表明存在分数化Majorana费米子激发。
• 本研究识别出量子自旋液体行为最稳定的特定参数区域，为未来实验提供了可检验的预测。