[論文レビュー] Antiferromagnetic magnons and local anisotropy: dynamical mean-field study

A. Niyazi, D. Geffroy+1 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 65被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、正方格子および体心立方格子上の多軌道 Hubbard モデルに対して、正確な2粒子相関関数を用いた動的平均場理論（DMFT）を用いて反強磁性モードを調査する。小さな対称性破れ項（外部磁場や単一イオン異方性など）でさえもモード分散を顕著に変化させることを示し、スピン波理論および対称性の原則と整合した結果が得られ、DMFTが電子相関系における集団的磁気励起状態を捉える能力を裏付けた。

ABSTRACT

We present a dynamical mean-field study of antiferromagnetic magnons in one-, two- and three-orbital Hubbard model of square and bcc cubic lattice at intermediate coupling strength. Weinvestigate the effect of anisotropy introduced by an external magnetic field or single-ion anisotropy.For the latter we tune continuously between the easy-axis and easy-plane models. We also analyzea model with spin-orbit coupling in cubic site-symmetry setting. The ordered states as well as themagnetic excitations are sensitive to even a small breaking ofSU(2)symmetry of the model andfollow the expectations of spin-wave theory as well as general symmetry considerations.

研究の動機と目的

• 多軌道相関系における局所的異方性が反強磁性モード分散に与える影響を調査すること。
• 順磁的秩序状態およびその励起状態が小さな SU(2) 対称性破れに対してどれほど感受的であるかを評価すること。
• 実際の多軌道モデルにおける集団モードを研究するための、2粒子相関関数を用いた DMFT の有効性を検証すること。
• 2次元および3次元格子における容易軸と容易面異方性の連続的トランジションを調査すること。
• 立方格子のサイト対称性下でのスピン軌道結合が磁気励起スペクトルに与える影響を検討すること。

提案手法

• 格子 Hubbard モデルを自己無撞着な混合関数を有するインポジット問題に写像するため、動的平均場理論（DMFT）を用いる。
• マツブラ周波数相関関数の解析的継続を最大エントロピー法を用いて行い、動的スピン感受率 χαα(q, ω) を計算する。
• 局所的 2P-可約頂点および格子ボリュームを用いて、2粒子相関関数（2PCF）のベーテ＝サルペター方程式（BSE）を解く。
• 多軌道系における高次元 2PCF を効率的に取り扱うために、フェルミオンインデックスのレジェンドル基底表現を用いる。
• 単一イオン異方性を容易軸から容易面の極限へ連続的にチューニングし、外部ゼーマン磁場を適用して対称性破れ効果を調査する。
• 1粒子相関関数の正確な計算には CT-QMC を用い、数値実装には ALPS ライブラリを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場や単一イオン異方性といった小さな対称性破れ項が、多軌道反強磁性体におけるモード分散にどのように影響を与えるか？
• RQ2 DMFT を用いた 2PCF 計算が、モードスペクトルに関してスピン波理論の予測をどの程度正確に再現するか？
• RQ3 容易軸から容易面への異方性遷移が、モードのギャップ構造および分散にどのように影響を与えるか？
• RQ4 立方格子における多軌道性を持つ系において、スピン軌道結合が磁気励起スペクトルに果たす役割は何か？
• RQ5 異方性パラメータの連続的チューニングに対して、秩序状態およびその集団モードはどの程度安定的か？

主な発見

• SU(2) スピン対称性のわずかな破れですら、スピン波理論の予測と整合したモード分散の測定可能な変化を引き起こす。
• 容易面極限ではモードスペクトルにギャップが現れ、容易軸極限ではソフトモードが観測され、期待される対称性破れの挙動が反映されている。
• DMFT で計算された動的スピン感受率はゴールドストーンの定理を満たしており、対称性が破れた相におけるギャップなしモードの存在を確認した。
• 2PCF アプローチにより、異方性に起因するモード分岐の分裂および容易軸から容易面へのクロスオーバーに伴う分散の進化を的確に捉えることに成功した。
• スピン軌道結合により追加の分裂が生じ、特に立方格子のサイト対称性を持つ3軌道モデルではモード分散が変化した。
• 本手法は、3軌道以上および単位胞に複数の原子を含む現実的な多軌道モデルにおける 2PCF の計算について、数値的実行可能性と正確性を示した。