[论文解读] Strong quantum interactions prevent quasiparticle decay

Ruben Verresen, Frank Pollmann+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2018

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 32被引用 12

一句话总结

本论文表明，强量子相互作用可通过将准粒子推离多体连续谱而使其稳定，从而防止衰变——这一反直觉效应源于层级排斥的推广，适用于连续谱耦合。通过精确可解模型和DMRG模拟，论文表明在强耦合下准粒子权重仍保持显著（趋近于1/2），解释了自旋-1/2三角晶格海森伯反铁磁体中磁振子的稳定性，并避免了在Ba₃CoSb₂O₉和液氦等材料中发生衰变。

ABSTRACT

Quantum states of matter---such as solids, magnets and topological phases---typically exhibit collective excitations---phonons, magnons, anyons. These involve the motion of many particles in the system, yet, remarkably, act like a single emergent entity---a quasiparticle. Known to be long-lived at the lowest energies, common wisdom says that quasiparticles become unstable when they encounter the inevitable continuum of many-particle excited states at high energies. Whilst correct for weak interactions, we show that this is far from the whole story: strong interactions generically stabilise quasiparticles by pushing them out of the continuum. This general mechanism is straightforwardly illustrated in an exactly solvable model. Using state-of-the-art numerics, we find it at work also in the spin-$\frac{1}{2}$ triangular lattice Heisenberg antiferromagnet (TLHAF) near the isotropic point---this is surprising given the common expectation of magnon decay in this paradigmatic frustrated magnet. Turning to existing experimental data, we identify the detailed phenomenology of avoided decay in the TLHAF material Ba$_3$CoSb$_2$O$_9$, and even in liquid helium---one of the earliest instances of quasiparticle decay. Our work unifies various phenomena above the universal low-energy regime in a comprehensive description. This broadens our window of understanding of many-body excitations, and provides a new perspective for controlling and stabilising quantum matter in the strongly-interacting regime.

研究动机与目标

• 挑战传统观念，即在高能下多体连续谱的存在必然导致准粒子衰变。
• 探究强相互作用是否可通过层级排斥将准粒子从连续谱中移出，从而实现其稳定。
• 为强关联量子系统中低能与高能区域的准粒子稳定性提供统一描述。
• 将理论发现与受挫磁体（如Ba₃CoSb₂O₉）和超流⁴He中的实验观测相联系。
• 证明在强耦合下准粒子权重保持较大（趋近于1/2），确保其在中子散射等实验中可探测。

提出的方法

• 将准粒子衰变形式化为与连续谱耦合的层级，推广离散态的层级排斥至连续态。
• 分析一个可解模型，其中能量为Eb的裸准粒子态|ψ⟩通过耦合常数γ与阈值能量为Eth的两体连续谱耦合。
• 推导D维空间中两体态的态密度（DOS），表明当D ≥ 3时呈现平方根起始行为，而D = 1,2时为不连续起始。
• 利用薛定谔方程计算重整化的准粒子态|ψ*⟩及其权重Z = |⟨ψ|ψ*⟩|²，发现在强耦合极限下Z趋近于1/2。
• 将该形式化方法应用于自旋-1/2三角晶格海森伯反铁磁体（TLHAF），采用有限圆柱体上的密度矩阵重整化组（DMRG）模拟。
• 将DMRG数据插值至二维布里渊区，并与线性自旋波理论（LSWT）比较，以验证方法并提取磁振子色散关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 强量子相互作用是否可通过将准粒子从多体连续谱中推出，从而防止其衰变？
• RQ2 在强耦合极限下，准粒子权重Z = |⟨ψ|ψ*⟩|²的行为如何？其对实验可探测性有何影响？
• RQ3 通过连续谱排斥实现的避免衰变机制，是否能解释受挫自旋-1/2三角晶格海森伯反铁磁体中磁振子的稳定性？
• RQ4 该机制是否可解释Ba₃CoSb₂O₉和超流⁴He等实验体系中磁振子无衰变的现象？
• RQ5 阈值附近的态密度如何影响两体连续谱的起始行为，以及稳定准粒子的出现？

主要发现

• 当D = 1,2时，任意非零耦合γ下均出现稳定准粒子态|ψ*⟩，其权重Z在强耦合极限下趋近于1/2。
• 当D ≥ 3时，准粒子保持稳定，其权重Z在强耦合下趋近于1/2，且态密度呈现平方根起始行为。
• 在δ = 0.05时对二维TLHAF的DMRG模拟得到磁振子能量εK ≈ 0.3J，与无衰变一致，支持该稳定机制。
• 从DMRG数据插值得到的磁振子色散关系与线性自旋波理论（LSWT）高度一致，验证了数值方法的有效性。
• 该模型解释了Ba₃CoSb₂O₉和超流⁴He中磁振子无衰变的现象，即使在强相互作用下，准粒子权重仍保持较大。
• 该机制统一了低能与高能区域的准粒子稳定性，为理解与调控强关联量子物质提供了新框架。