Plaquette Singlet Transition, Magnetic Barocaloric Effect, and Spin Supersolidity in the Shastry-Sutherland Model

超固体 物理 凝聚态物理 单重态 量子相变 量子临界点 相变 旋转冰 磁场 自旋(空气动力学) 临界点(数学) 相(物质) 量子力学 相图 磁单极子 热力学 激发态 数学分析 数学
作者
Junsen Wang,Han Li,Ning Xi,Yuan Gao,Qing‐Bo Yan,Wei Li,Gang Su
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:131 (11) 被引量:4
标识
DOI:10.1103/physrevlett.131.116702
摘要

Inspired by recent experimental measurements [Guo et al., Phys. Rev. Lett. 124, 206602 (2020); Jim\'enez et al., Nature (London) 592, 370 (2021)] on frustrated quantum magnet ${\text{SrCu}}_{2}({\mathrm{BO}}_{3}{)}_{2}$ under combined pressure and magnetic fields, we study the related spin-$1/2$ Shastry-Sutherland model using state-of-the-art tensor network methods. By calculating thermodynamics, correlations, and susceptibilities, we find, in zero magnetic field, not only a line of first-order dimer-singlet to plaquette-singlet phase transition ending with a critical point, but also signatures of the ordered plaquette-singlet transition with its critical end point terminating on this first-order line. Moreover, we uncover prominent magnetic barocaloric responses, a novel type of quantum correlation induced cooling effect, in the strongly fluctuating supercritical regime. Under finite fields, we identify a quantum phase transition from the plaquette-singlet phase to the spin supersolid phase that breaks simultaneously lattice translational and spin rotational symmetries. The present findings on the Shastry-Sutherland model are accessible in current experiments and would shed new light on the critical and supercritical phenomena in the archetypal frustrated quantum magnet ${\text{SrCu}}_{2}({\mathrm{BO}}_{3}{)}_{2}$.

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