Пирохлоровые фотоны: U(1)-спин-жидкость в S = 1/2 трехмерном фрустрированном магните

Мы изучаем антиферромагнетик Гейзенберга с S = 1/2 на пирохлорной решетке в пределе сильной анизотропии обмена с легкой осью. Мы показываем, используя только стандартные методы вырождённой теории возмущений, что модель обладает U(1)-калибровочной симметрией, порождаемой определёнными локальными вращениями вокруг оси z в спиновом пространстве. При добавлении дополнительного локального взаимодействия в этой и в связанной модели со спинами на трехмерной сети общих по углам октаэдров можно выписать точную функцию основного состояния без дальнейших приближений. Используя свойства разрешимой точки, мы показываем, что эти модели переходят в фазу U(1)-спин-жидкости — фракционированную спин-жидкость с возникающей U(1)-калибровочной структурой. Эта фаза поддерживает зэшированные (gapped) спиноны Sz = 1/2, несущие U(1) «электрический» калибровочный заряд, зэшированный топологический точечный дефект или «магнитный» монополь, а также беззазорный «фотон», который в спиновой интерпретации представляет собой беззазорный коллективный режим Sz = 0 с линейной дисперсией. Наблюдаются степенные спиновые корреляции с нетривиальной угловой зависимостью, а также U(1)-топологический порядок. Это состояние устойчиво ко всем нулевотемпературным возмущениям и существует на конечной области фазовой диаграммы. Используя удобную решеточную версию электрическо-магнитной дуальности, мы развиваем эффективное описание U(1)-спин-жидкости и соседней разрешимой точки в терминах гауссовой квантовой электродинамики и вычисляем некоторые из универсальных свойств. Полученная картина подтверждается нашей численной проверкой волновой функции разрешимой точки. Наконец, мы кратко обсуждаем перспективы понимания этой физики в более широком классе моделей и возможные контакты с экспериментами.