[论文解读] Spinon waves in magnetized spin liquids

Leon Balents, Oleg A. Starykh|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2019

Advanced Condensed Matter Physics被引用 1

一句话总结

本文研究了在弱Zeeman场下二维U(1)费米面自旋液体的横向动力学自旋磁化率，表明短程相互作用在两自旋子连续谱之下产生了一种新的自旋子自旋模式，而规范涨落则在连续谱之外引入了非零的幂律权重，并导致动量平方依赖的寿命。这些效应重塑了自旋激发谱，为量子自旋液体中的非弹性中子散射、电子自旋共振（ESR）和共振非弹性X射线散射（RIXS）提供了统一的理论解释。

ABSTRACT

We study the transverse dynamical spin susceptibility of the two dimensional U(1) Fermi surface spin liquid in a small applied Zeeman field. We show that both short-range interactions, present in a generic Fermi liquid, as well as gauge fluctuations, characteristic of the U(1) spin liquid, qualitatively change the result based on the frequently assumed non-interacting approximation. Short-range interaction leads to a new collective mode: a spinon spin which splits off from the two-spinon continuum at small momentum and disperses downward. Gauge fluctuations renormalize the susceptibility, providing non-zero power law weight in the region outside the continuum and giving the spin wave a finite lifetime, which scales as momentum squared. We also study the effect of Dzyaloshinskii-Moriya anisotropy on the zero momentum susceptibility, which is measured in electron spin resonance (ESR), and obtain a resonance linewidth linear in temperature and varying as $B^{2/3}$ with magnetic field $B$ at low temperature. Our results form the basis for a theory of inelastic neutrons scattering, ESR, and resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) studies of this quantum spin liquid state.

研究动机与目标

• 理解短程相互作用与规范涨落在弱Zeeman场下二维U(1)费米面自旋液体中如何改变横向自旋磁化率。
• 通过引入多体效应，弥合非相互作用模型与真实自旋液体行为之间的差异。
• 为解释量子自旋液体中非弹性中子散射、电子自旋共振（ESR）和共振非弹性X射线散射（RIXS）数据提供一个理论框架。
• 分析Dzyaloshinskii-Moriya各向异性对零动量自旋磁化率及其温度与磁场依赖性的影响。

提出的方法

• 在U(1)自旋液体框架内，采用场论方法分析横向动力学自旋磁化率。
• 通过类似费米液体的有效理论引入短程相互作用，推导出自旋子色散关系与谱权重的修正。
• 通过自能修正引入规范涨落，以修正自旋磁化率并引入有限寿命效应。
• 应用低能有效作用量计算零动量磁化率及其对温度与磁场的依赖性。
• 将Dzyaloshinskii-Moriya相互作用作为微扰，研究其对ESR线宽与磁场依赖性的影响。
• 利用微扰重整化群技术推导自旋波寿命与谱权重的动量与温度依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 短程相互作用如何在非相互作用近似之外改变U(1)自旋液体中的自旋激发谱？
• RQ2 规范涨落在重新分配谱权重并为自旋子模式引入有限寿命方面起什么作用？
• RQ3 Dzyaloshinskii-Moriya各向异性如何影响零动量自旋磁化率以及ESR共振线宽？
• RQ4 在低温区域，ESR线宽随温度与磁场的函数形式为何？
• RQ5 相互作用与规范涨落的共同效应如何改变对非弹性中子散射与RIXS数据的解释？

主要发现

• 短程相互作用产生一种新的集体模式——自旋子自旋模式，其色散关系向下发散，并在小动量区域从两自旋子连续谱中分离出来。
• 规范涨落修正了自旋磁化率，在原本被禁止的区域引入了非零的幂律权重，并使自旋波具有与动量平方成正比的有限寿命。
• ESR共振线宽在低温下表现出与温度的线性依赖关系，并与磁场B的2/3次幂成正比。
• 相互作用与规范涨落的共同效应导致自旋激发谱发生显著改变，无法由非相互作用自旋子模型所描述。
• 该理论为解释U(1)自旋液体态中的非弹性中子散射、ESR与RIXS实验提供了统一的理论框架。