[论文解读] Triplet resonating valence bond theory and transition metal chalcogenides

Elio J. König, Yashar Komijani+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 66被引用 7

一句话总结

本文提出了一种用于具有易平面铁磁交换作用的量子自旋液体（QSL）的三重态共振价键（tRVB）理论，采用 S=1、mz=0 三重态键的二维晶格 dimer 覆盖。通过在大-N 极限下使用阿布里科索夫费米子构建受控的平均场理论，表明空穴掺杂可诱导时间反演对称性破缺的 p+ip 波超导性，为 1T-TaS2 和 CrXTe3 chalcogenides 中提出的 tRVB 行为提供了微观解释。

ABSTRACT

We develop a quantum spin liquid theory for quantum magnets with easy-plane ferromagnetic exchange. These strongly entangled quantum states are obtained by dimer coverings of 2D lattices with triplet $S = 1, m_z = 0$ bonds, forming a triplet resonating valence bond (tRVB) state. We discuss the conditions and the procedure to transfer well-known results from conventional singlet resonating valence bond theory to tRVB. Additionally, we present mean field theories of Abrikosov fermions on 2D triangular and square lattices, which can be controlled in an appropriate large $N$ limit. We also incorporate the effect of charge doping which stabilizes $p+ip$-wave superconductivity. Beyond the pure theoretical interest, our study may help to resolve contradictory statements on certain transition metal chalcogenides, including 1T-TaS$_2$, as a potential tRVB spin-liquid.

研究动机与目标

• 为具有易平面铁磁交换作用的量子磁体中的三重态共振价键（tRVB）态建立理论框架。
• 通过将 dimer 覆盖和共振键概念适配至 S=1、mz=0 三重态键，将传统的单重态 RVB 理论推广至三重态态。
• 在大-N 极限下，利用阿布里科索夫费米子在三角晶格和正方晶格上构建受控的平均场理论。
• 研究电荷掺杂对 tRVB 态的影响，并预测 p+ip 波超导性的出现。
• 解决 1T-TaS2 和 CrXTe3 作为潜在 tRVB 自旋液体候选物的实验观测矛盾。

提出的方法

• 将 tRVB 波函数表述为二维晶格上具有三重态 S=1、mz=0 键的 dimer 覆盖的量子叠加。
• 通过确保 tRVB 态的规范不变性和拓扑序，将单重态 RVB 概念适配至三重态态。
• 采用阿布里科索夫费米子表示法，将自旋系统映射为费米子平均场哈密顿量。
• 在三角晶格和正方晶格上进行大-N 展开，以控制平均场理论。
• 推导出作为温度和空穴掺杂 δ 函数的平均场相图，包括一个 p+ip 超导相。
• 利用大-N 极限稳定 tRVB 态，并分析其稳定性和涌现的配对对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在铁磁交换相互作用的情况下，具有三重态共振价键（tRVB）的量子自旋液体是否存在？
• RQ2 如何将已建立的单重态 RVB 理论推广，以描述具有 S=1、mz=0 键的三重态自旋液体态？
• RQ3 在大-N 极限下通过阿布里科索夫费米子平均场理论描述时，tRVB 态在三角晶格和正方晶格上的性质是什么？
• RQ4 空穴掺杂如何影响 tRVB 态，以及会涌现出何种超导相？
• RQ5 tRVB 理论能否解释 1T-TaS2 和 CrXTe3 作为潜在量子自旋液体候选物的矛盾实验观测？

主要发现

• tRVB 态是具有三重态 S=1、mz=0 键的 dimer 覆盖的量子叠加，形成具有拓扑序且对称性保持的量子自旋液体。
• 在三角晶格和正方晶格上，基于阿布里科索夫费米子的平均场理论在大-N 极限下受控，使 tRVB 相的解析研究成为可能。
• 有限温度的平均场相图显示，空穴掺杂后出现 p+ip 波超导相，存在超导性的临界掺杂阈值。
• tRVB 态表现出自旋子费米面，与 1T-TaS2 中观测到的线性 T 依赖热导率和有限的索末菲系数一致。
• 该理论为 1T-TaS2 和 CrXTe3 中观测到的顺磁、自旋液体样行为提供了微观解释，调和了关于交换相互作用 J 的符号的矛盾报告。
• 该模型预测掺杂后出现时间反演对称性破缺的 p+ip 超导性，与近期在 4H-TaS2 中的观测一致。