[论文解读] Witnessing quantum criticality and entanglement in the triangular antiferromagnet KYbSe$_2$

Allen Scheie, E. A. Ghioldi+21 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2021

Advanced Condensed Matter Physics被引用 10

一句话总结

本研究通过非弹性中子散射揭示KYbSe₂在接近二阶量子相变点时表现出量子自旋液体候选特性，其特征为具有清晰下限的弥散连续谱。纠缠判据与施温格玻色子理论证实了显著的多体量子纠缠及与Z₂自旋液体的接近性，解决了关于三角晶格海森堡模型在量子临界点附近相图的长期理论争议。

ABSTRACT

The Heisenberg triangular lattice quantum spin liquid and the phase transitions to nearby magnetic orders have received much theoretical attention, but clear experimental manifestations of these states are rare. This work investigates a new spin-half Yb$^{3+}$ delafossite material, KYbSe$_2$, whose inelastic neutron scattering spectra reveal a diffuse continuum with a sharp lower bound. Applying entanglement witnesses to the data reveals significant multipartite entanglement spread between its neighbors, and analysis of its magnetic exchange couplings shows close proximity to the triangular lattice Heisenberg quantum spin liquid. Key features of the data are reproduced by Schwinger-boson theory and tensor network calculations with a significant second-neighbor coupling $J_2$. The strength of the dynamical structure factor at the $K$ point shows a scaling collapse in $\hbarω/k_\mathrm{B}T$ down to 0.3 K, indicating a second-order quantum phase transition. Comparing this to previous theoretical work suggests that the proximate phase at larger $J_2$ is a gapped $\mathbb{Z}_2$ spin liquid, resolving a long-debated issue. We thus show that KYbSe$_2$ is close to a spin liquid phase, which in turn sheds light on the theoretical phase diagram itself.

研究动机与目标

• 识别三角反铁磁体KYbSe₂中量子自旋液体的实验特征。
• 确定KYbSe₂是否具有量子临界点并表现出长程量子纠缠。
• 解决含第二近邻耦合的三角晶格海森堡模型相变性质的理论争议。
• 将理论模型（施温格玻色子与张量网络）与非弹性中子散射实验数据进行验证。
• 在实验观测与量子临界点附近存在能隙Z₂自旋液体相之间建立直接联系。

提出的方法

• 在温度低至0.3 K的KYbSe₂单晶上开展非弹性中子散射（INS）实验，以探测自旋动力学关联。
• 将纠缠判据应用于测量得到的动力学结构因子，以量化最近邻Yb³⁺自旋之间的多体量子纠缠。
• 采用翁萨格反应场（ORF）拟合方法提取自旋交换耦合参数，包括最近邻（J₁）与第二近邻（J₂）的反铁磁相互作用。
• 利用施温格玻色子平均场理论模拟自旋激发谱，并与实验数据对比，检验各向同性与J₂依赖性。
• 采用张量网络计算方法模拟自旋液体行为，并验证Z₂自旋液体相的存在。
• 分析ℏω/kBT下动力学结构因子的标度坍缩，温度低至0.3 K，以确认二阶量子临界性。

实验结果

研究问题

• RQ1 KYbSe₂是否表现出量子自旋液体的特征，如弥散连续谱及无长程磁序？
• RQ2 KYbSe₂中量子相变的性质为何？是否表现出二阶临界性？
• RQ3 KYbSe₂中多体量子纠缠的程度如何？是否可在实验中被观测到？
• RQ4 测得的交换耦合参数（J₁与J₂）如何定位KYbSe₂在三角晶格海森堡模型理论相图中的位置？
• RQ5 KYbSe₂的近邻相是否为理论预测的能隙Z₂自旋液体相？

主要发现

• KYbSe₂的非弹性中子散射谱显示具有清晰下限的弥散连续谱，表明存在无能隙的自旋子激发行为。
• 应用于实验数据的纠缠判据揭示了最近邻Yb³⁺自旋之间显著的多体量子纠缠，证实其基态高度纠缠。
• 在K点的动力学结构因子在ℏω/kBT下表现出标度坍缩，温度低至0.3 K，为二阶量子相变提供了有力证据。
• 翁萨格反应场拟合得到J₁ = 2.33(10) K与J₂ = 0.11(2) K，表明第二近邻耦合虽小但非零，有助于稳定量子临界行为。
• 施温格玻色子与张量网络计算在J₂ ≈ 0.11 K时最符合实验数据，支持在临界点附近存在能隙Z₂自旋液体相。
• 高分辨率数据中K点无能隙模式的存在，排除了显著的最近邻交换各向异性，证实其接近海森堡各向同性。