Spin-Charge Bound States and Emerging Fermions in a Quantum Spin Liquid
Notice bibliographique
Résumé
The complex interplay between charge and spin dynamics lies at the heart of strongly correlated quantum materials, and it is a fundamental topic in basic research with far-reaching technological perspectives. We explore in this paper the dynamics of holes in a single-band, extended t - J model where the background spins form a Z 2 quantum spin liquid. Using a field theory approach based on a parton construction, we show that while the electrons for most momenta fractionalize into uncorrelated charge-carrying holons and spin-carrying spinons as generally expected for a quantum spin liquid, the spinon-holon scattering cross section diverges for certain momenta, signaling strong correlations. By deriving an effective low-energy Hamiltonian describing this dynamics, we demonstrate that these divergences are due to the formation of long-lived spinon-holon bound states. Since the wave function of these bound states is localized over a few lattice sites, they correspond to well-defined fermions with the same charge and spin as the underlying electrons. We then show that quantum gas microscopy with atoms in optical lattices provides an excellent platform for verifying and probing the internal spatial structure of these emerging fermions. The fermions will furthermore show up as clear quasiparticle peaks in angle-resolved photoemission spectroscopy with an intensity determined by their internal structure. For a nonzero hole concentration, the fermions form hole pockets with qualitatively the same location, shape, and intensity variation in the Brillouin zone as the so-called Fermi arcs observed in the pseudogap phase. Such agreement is remarkable since the Fermi arcs arise from the delicate interplay between the symmetry of the quantum spin liquid and the internal structure of the emerging fermions in a minimal single-band model with no extra degrees of freedom added. Our results, therefore, provide a microscopic mechanism for the conjectured fractionalized Fermi liquid and open up new pathways for exploring the pseudogap phase and high-temperature superconductivity as arising from a quantum spin liquid.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
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Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,003 |
| Communication savante | 0,002 | 0,002 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,003 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».