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Broken-Symmetry Ground States of the Heisenberg Model on the Pyrochlore Lattice

Résumé

The spin-1/2 Heisenberg model on the pyrochlore lattice is an iconic frustrated three-dimensional spin system with a rich phase diagram. Besides hosting several ordered phases, the model is debated to possess a spin-liquid ground state when only nearest-neighbor antiferromagnetic interactions are present. Here, we contest this hypothesis with an extensive numerical investigation using both exact diagonalization and complementary variational techniques. Specifically, we employ a resonating-valence-bond-like, manyvariable, Monte Carlo ansatz and convolutional neural network quantum states for (variational) calculations with up to 4 x 43 and 4 x 33 spins, respectively. We demonstrate that these techniques yield consistent results, allowing for reliable extrapolations to the thermodynamic limit. We consider the (2; j2/j1) parameter space, with j2, j1 being nearest and next-to-nearest neighbor interactions and 2 the XXZ interaction anisotropy. Our main results are (1) the determination of the phase transition between the putative spin-liquid phase and the neighboring magnetically ordered phase and (2) a careful characterization of the ground state in terms of symmetry-breaking tendencies. We find clear indications of a dimer order with spontaneously broken inversion and rotational symmetry, calling the scenario of a featureless quantum spin liquid into question. Our work showcases how many-variable variational techniques can be used to make progress in answering challenging questions about three-dimensional frustrated quantum magnets.

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Antiferromagnétisme
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Frustration géométrique
Expliquer la stabilité d'un solide est une question centrale en physique de la matière condensée. Possibles dans le cas des molécules, les calculs quantiques les plus précis montrent souvent une grande diversité pour les configurations atomiques de faible énergie. Du fait de leur taille macroscopique, et donc du nombre astronomique d'atomes mis en jeu, la même étude pour les solides impose que de nombreuses approximations soient faites pour calculer leur énergie de cohésion.
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