25.03.2021
Forschung: Mögliche Symmetriebrechung in dem S=1/2 Pyrochlor Heisenberg Magnet
Die Abbildung zeigt frühere Berechnungen der Grundzustandsenergie des Pyrochlor-Gitters (Einschub) (horizontale Linien) für verschiedene Ansätze. Wir extrapolieren die DMRG Berechnungen für unterschiedliche Clustergrößen (rote Punkte), um Einblicke in den thermodynamischen Limes zu erhalten. Mittels eines systematischen Cluster-Algorithmus bei endlicher Temperatur sind wir in der Lage, eine obere Schranke der Grundzustandsenergie zu benennen.
Quanten-Pyrochlor-Magnete sind eine Klasse von stark frustrierten Quantensystemen, die besonders schwierig zu verstehen sind und bis heute viele offene Fragen bergen. Anti-ferromagnetischen Kopplungen auf den tetraedrische Einheitszellen des Pyrochlorgitters induzieren dabei sogenannte geometrische Frustration. Das System ist nicht in der Lage alle Kopplungen gleichzeitig zu befriedigen und realisiert daher potenziell exotische neue Quantenzustände bei niedrigen Temperaturen.
Mittels umfassender numerische Rechnungen, insbesondere einer Variante der DMRG Methode, die die volle Spinsymmetrie des Systems ausnutzt, sind wir in der Lage bisher unerreichte Systemgrößen mit bis zu 128 Gitterplätzen zu untersuchen. Dadurch können wir zum ersten Mal verlässlich die Grundzustandsenergie pro Spin im thermodynamischen Limes extrapolieren, und erhalten E=−0.490(6)J, wobei J die Stärke der magnetischen Kopplung darstellt.
Kristallgitter werden durch verschieden Symmetrien charakterisiert. Eine Symmetrie des Pyrochlor-Gitters ist die Gitterinversion, eine Punktspiegelung des Gitters. Unsere Berechnungen zeigen eine robuste spontane Symmetriebrechung des Grundzustandes bezüglich der Gitterinversion. Diese Symmetriebrechung konfligiert mit früheren Annahmen einer Spinflüssigkeit bei sehr tiefen Temperaturen und schränkt die Eigenschaften möglicher Spinflüssigkeiten sehr stark ein.
I. Hagymási, R. Schäfer, R. Moessner, D. J. Luitz,
Possible Inversion Symmetry Breaking in the S=1/2 Pyrochlore Heisenberg Magnet,
Phys. Rev. Lett. 126, 117204 (2021) (arXiv)