呼吸烧绿石晶格中的竞争量子自旋液体、规范涨落与各向异性相互作用

我们利用投影对称群分析对具有呼吸各向异性的 S=1/2 烧绿石磁体上的量子自旋液体进行分类。我们找到了尊重 F\bar{4}3m 空间群和时间反演对称的 40 个 Z_2 自旋液体和 16 个 U(1) 自旋液体。作为一个应用，我们考虑反铁磁 Heisenberg 模型，其被提出为候选材料 Ba_3Yb_2Zn_5O_{11} 中的主导相互作用。聚焦于 U(1) 自旋液体 ansatz，我们发现当限于该模型时其中仅两个是物理的。我们给出了这两个 U(1) 自旋液体各自的 parton 平均场理论的解析解。揭示出其中一个具有无隙、而另一个具有有隙的自旋子激发。两个 U(1) 自旋液体不论呼吸各向异性程度如何均能量相等，且它们可由来自二次色散无隙自旋子的低温热容贡献区分。我们进一步表明，在随机相位近似内后者不受 U(1) 规范场涨落影响。最后，我们证明小的 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用解除了两个 U(1) 自旋液体之间的简并，并在强耦合下最终使晶格解耦为独立四面体。虽然 Ba_3Yb_2Zn_5O_{11} 的当前模型参数确实将其置于解耦 regime，但其他候选材料可能在不久的将来被合成以实现我们工作中讨论的自旋液体态。