[論文レビュー] Charge and spin dynamics in the one-dimensional t-J_z and t-J models

Joachim Stolze, Shu Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 1997

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、1次元t-J_zおよびt-Jモデルにおける電荷およびスピンダイナミクスを比較し、Luttinger液体状態におけるスピン反転項の役割を分離する。再帰法および連分数解析を用いて、t-Jモデルにおけるスピン反転過程が相分離状態で強い2スピン子主導のスピン揺動を維持するのに対し、t-J_zモデルはトポロジカルクラスタリングにより単一モードの電荷励起およびネール長距離秩序を示すことが判明し、相分離における力学的および秩序的挙動の顕著な相違が浮き彫りになった。

ABSTRACT

The impact of the spin-flip terms on the (static and dynamic) charge and spin correlations in the Luttinger-liquid ground state of the 1D $t-J$ model is assessed by comparison with the same quantities in the 1D $t-J_z$ model, where spin-flip terms are absent. We employ the recursion method combined with a weak-coupling or a strong-coupling continued-fraction analysis. At $J_z/t=0^+$ we use the Pfaffian representation of dynamic spin correlations. The changing nature of the dynamically relevant charge and spin excitations on approach of the transition to phase separation is investigated in detail. The $t-J_z$ charge excitations (but not the spin excitations) at the transition have a single-mode nature, whereas charge and spin excitations have a complicated structure in the $t-J$ model. In the $t-J_z$ model, phase separation is accompanied by N\'eel long-range order, caused by the condensation of electron clusters with an already existing alternating up-down spin configuration (topological long-range order). In the $t-J$ model, by contrast, the spin-flip processes in the exchange coupling are responsible for continued strong spin fluctuations (dominated by 2-spinon excitations) in the phase-separated state.

研究の動機と目的

• 1次元t-JモデルのLuttinger液体基底状態におけるスピン反転項の電荷およびスピン相関への影響を分離すること。
• スピン反転なしのt-J_zモデルとスピン反転を有するt-Jモデルの間における動的および静的相関を比較すること。
• 両モデルにおける相分離転移付近の電荷およびスピン励起の性質を調査すること。
• t-J_zモデルにおける相分離が、トポロジカルクラスタリングに起因する長距離ネール秩序を伴うかどうかを特定すること。
• t-Jモデルの相分離状態における強いスピン揺動を維持するスピン反転過程の役割を明確にすること。

提案手法

• 動的相関関数を計算するために、再帰法と弱結合・強結合連分数解析を組み合わせた手法を採用した。
• J_z/t → 0+ の極限における動的スピン相関を計算するために、Pfaffian表現を用いた。
• t-J_zモデルとt-Jモデルの間で静的および動的電荷およびスピン相関関数を比較した。
• 相分離転移付近における動的に重要な電荷およびスピン励起の構造を分析した。
• t-J_zモデルにおける長距離秩序の出現と、電子クラスタの凝縮との関係を調査した。
• 相分離状態における2スピン子主導のスピン揺動を維持するスピン反転項の役割を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 t-Jモデルにおけるスピン反転項は、スピン反転のないt-J_zモデルと比較して、電荷およびスピンダイナミクスにどのように影響を及えるか？
• RQ2 t-J_zモデルにおける相分離転移における電荷およびスピン励起の性質は何か？
• RQ3 t-J_zモデルにおける相分離はネール長距離秩序を引き起こすか？ もしそうであるなら、その背後にあるメカニズムは何か？
• RQ4 t-Jモデルにおけるスピン反転過程は、相分離状態におけるスピン揺動にどのように影響を及えるか？
• RQ5 t-Jおよびt-J_zモデルの相分離境界付近における動的励起スペクトルの相違は何か？

主な発見

• t-J_zモデルでは、相分離転移における電荷励起は、t-Jモデルで見られるようなより複雑な構造とは異なり、単一モードの性質を示す。
• t-J_zモデルにおけるスピン励起はギャップを持ち、t-Jモデルと同様の動的複雑性を示さない。
• t-J_zモデルにおける相分離は、事前に存在する交互スピン配置を持つ電子クラスタの凝縮に起因して、ネール長距離秩序を伴う。
• t-Jモデルでは、継続的なスピン反転過程のおかげで、相分離状態において強い2スピン子主導のスピン揺動が観測される。
• t-J_zモデルにおけるスピン反転項の不在は、t-Jモデルとは異なり、フラクチュエーション駆動の秩序とは異なるトポロジカル長距離秩序メカニズムをもたらす。
• J_z/t → 0+ におけるt-J_zモデルの動的スピン相関は、Pfaffian表現によって正確に捉えられ、スピン反転寄与の不在が確認された。