[論文レビュー] Curie temperature and quantum phase transitions in the Hubbard model with binary alloy disorder

Krzysztof Byczuk, M. Ulmke|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2004

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 15

ひとこと要約

本研究は、ダイナミカル平均場理論（DMFT）を用いて、2成分合金不純物を有する1バンド Hubbard モデルにおける遷移金属フェロ磁性および金属絶縁体転移を調査する。不純物によるバンド分裂が、有限の合金濃度において強相関下でCurie温度を向上させることを示し、モット絶縁体付近の不純物パラメトリックな変化に起因する、不純物系パラ磁性とフェロ磁性の量子相転移を特定する。

ABSTRACT

Magnetic and electric properties of the Hubbard model with binary alloy disorder are studied within the dynamical mean--field theory. A paramagnet--ferromagnet phase transition and a Mott--Hubbard metal--insulator transition are observed upon varying the alloy concentration. A disorder induced enhancement of the Curie temperature is demonstrated and explained by the effects of band splitting and subband filling. Different quantum phase transitions driven by changes of the alloy concentration are identified.

研究の動機と目的

• 2成分合金不純物を有する相関電子系における電子相関、不純物、フェロ磁性の相乗的相互作用を理解すること。
• 合金濃度がHubbardモデルにおける量子相転移およびCurie温度をどのように制御するかを調査すること。
• 特にモット絶縁体領域付近における不純物系パラ磁性とフェロ磁性の新しい量子相転移を同定・特徴付けること。
• 特に等電子および非等電子合金系において、不純物がCurie温度をどのように向上させるかの条件を探索すること。
• バンド幅および電子密度制御に加え、合金濃度制御によるMott–Hubbard転移の理解を拡張すること。

提案手法

• クエンチド2成分合金不純物を有する1バンドAnderson–Hubbardハミルトニアンを定式化し、局所的クーロン反発（U）、 hopping積分（t_ij）、およびサイト依存のランダム局所エネルギー（ε_i）を組み込む。
• 強相関と不純物効果を同等に取り扱うために、非摂動的DMFT（ダイナミカル平均場理論）を適用してモデルを解く。
• DMFTの自己稠密条件を用いて局所グリーン関数および自己エネルギーを計算し、電子構造、磁化、Curie温度の計算を可能にする。
• 2つの状況を検討する：(1) 合金濃度xに依存しない固定電子密度nの等電子系、(2) nがxに依存する非等電子系。
• 特に臨界合金濃度におけるCurie温度および磁化の零温挙動を分析することで、量子相転移を同定する。
• 強い不純物下でハートリー–フォック理論を用いて定性的な傾向を検証し、Curie温度に寄与するのは1つのサブバンドのみであり、抑制係数α = xまたは1−xであることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2成分合金不純物は、強い電子相関を示すHubbardモデルにおけるCurie温度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 合金濃度が、パラ磁性とフェロ磁性の基底状態の間の量子相転移を誘発する制御パrameterとして機能できるか？
• RQ3 バンド分裂とサブバンドの満たされ方の役割は、不純物によるCurie温度上昇にどのように寄与するか？
• RQ4 電子密度を一定に保った場合、Mott–Hubbard金属絶縁体転移は合金濃度にどのように依存するか？
• RQ5 不純物が非不純物系と比較してCurie温度を上昇させる条件は何か？

主な発見

• 合金濃度xを、下位サブバンドが半分満たされるように調整すると、特にUが大きくΔ > Uの場合、不純物がCurie温度を向上させる。
• 有限の合金濃度（例：Fe₁₋ₓCoₓS₂系ではx ≈ 0.76）でCurie温度の最大値が観測され、x = 1では観測されない。これは最適なサブバンド満たされ方とバンド分裂に起因する。
• 零温において、不純物系パラ磁性とフェロ磁性の基底状態の間で量子相転移が発生し、臨界濃度x_c ≠ nでCurie温度が消失する。これはMott–Hubbard転移点とは異なる。
• 電子密度n、U、Δを一定に保ちながら合金濃度xを変化させることで、Mott–Hubbard金属絶縁体転移を制御可能であり、これにより「合金濃度制御型」Mott転移の新しいクラスを定義できる。
• 非等電子系（例：x = 2n）では、弱いUではCurie温度が抑制されるが、強いUおよびΔ ≳ 1では、下位サブバンドの有効な半分満たされ方が原因でCurie温度が向上する。
• 不純物系におけるCurie温度は、純物質と比較して係数α = xまたは1−xで低下するが、ハートリー–フォックおよびDMFTの両フレームワークで一貫している。