[論文レビュー] High-temperature kinetic magnetism in triangular lattices

Ivan Morera, Márton Kanász-Nagy+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、スピン不一致モット絶縁体におけるドーピングされた電荷キャリアによる磁気ポラロン形成に起因し、三角格子フェルミ＝ハバード模型において高温における運動的磁性が出現することを提案する。穴ドーピングでは運動的フラストレーションによって反強磁性ポラロンが誘発され、電子ドーピングでは二重占有電子（ドゥーブロン）の運動によりナガオカ型の強磁性相関が生成される。主な結果として、有効磁気相互作用がスーパー交換エネルギー J を上回ることを示し、これは最近のねじれ遷移金属ジカルコゲナイドのモアレ材料における観測結果を説明するものである。この現象は、J よりもはるかに高い温度で観測されている。

ABSTRACT

We study kinetic magnetism for the Fermi-Hubbard models in triangular type lattices, including a zigzag ladder, four- and six-legged triangular cylinders and a full two-dimensional triangular lattice. We focus on the regime of strong interactions, $U\gg t$ and filling factors around one electron per site. For temperatures well above the hopping strength, the Curie-Weiss form of the magnetic susceptibility suggests effective antiferromagnetic correlations for systems that are hole doped with respect to $ν=1$, and ferromagnetic correlations for systems with electron dopings. We show that these correlations arise from magnetic polaron dressing of charge carrier propagating in a spin incoherent Mott insulator. Effective interactions corresponding to these correlations can strongly exceed the magnetic super-exchange energy. In the case of hole doping, antiferromagnetic polarons originate from kinetic frustration of individual holes in a triangular lattice. In the case of electron doping, Nagaoka type ferromagnetic correlations are induced by propagating doublons. These results provide a theoretical explanation of recent experimental results in moire TMDC materials. To understand many-body states arising from antiferromagentic polarons at low temperatures, we study hole doped systems in finite magnetic fields. At low dopings and intermediate magnetic fields we find a magnetic polaron phase, separated from the fully polarized state by a metamagnetic transition. With decreasing magnetic field the system shows a tendency to phase separate, with hole rich regions forming antiferromagnetic spinbags. We demonstrate that direct observations of magnetic polarons in triangular lattices can be achieved in experiments with ultracold atoms, which allow measurements of three point hole-spin-spin correlations.

研究の動機と目的

• ねじれ遷移金属ジカルコゲナイドのモアレ材料における実験的に観測された強磁性相と反強磁性相の間の転移を説明すること。
• 超交換エネルギー J = 4t²/U よりもはるかに高い温度で強い有効磁気相互作用が生じる原因を特定すること。
• 穴ドーピングされた三角格子における反強磁性相関の誘発要因としての運動的フラストレーションの役割、および電子ドーピング系における強磁性相関の特徴を同定すること。
• 磁気ポラロン相および有限磁場下での反強磁性スピンバッグへの相分離が存在することを示すこと。

提案手法

• 強い U/t 範囲における三角格子上のフェルミ＝ハバードハミルトニアンを、ジグザグラダー、三角カニンダ、2次元格子に対して解析する。
• 高温展開とスピン・チャージ分離を用いて、電荷キャリアの運動から有効磁気相互作用を導出する。
• 1次元および2次元カニンダではテンソルネットワーク法、2次元格子ではモンテカルロシミュレーションを用いてスピンスピン相関関数を計算する。
• 磁場およびドーピングに依存する極化プラトー構造を持つ磁気ポラロンガスモデルを導入する。
• 低磁場下では反強磁性スピンバッグ（ASBs）が相分離状態として出現し、穴密度は局在化長に依存する。
• 超冷却原子系における直接実験的検出を可能にするため、3点関数の穴スピンスピン相関を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三角格子において、超交換エネルギー J とは著しく異なる温度で有効磁気相互作用が出現しうるか？
• RQ2 穴ドーピングされた三角格子における反強磁性相関の起源は何か？ また、電子ドーピング系における強磁性相関とはどのように異なるか？
• RQ3 スピン不一致モット絶縁体における磁気ポラロンは、ドーピングおよび磁場の変化に伴いどのように形成され、進化するか？
• RQ4 運動的フラストレーションは、ドーピングされた三角格子の磁気応答をどのように規定するか？
• RQ5 ドーピングされた三角格子において、反強磁性スピンバッグへの相分離が生じうるか？ また、磁場にどのように依存するか？

主な発見

• 穴ドーピング系における有効反強磁性相互作用は運動的フラストレーションに起因し、反強磁性ポラロンを形成することで穴の運動エネルギーが低下する。
• 電子ドーピング系における有効強磁性相互作用はドゥーブロンの拡散に起因し、ナガオカ型の強磁性相関が生じる。
• 有効磁気相互作用強度 Jeff ∼ −1.14ϵt は、特に高温 kBT > t の領域で超交換エネルギー J を上回る。
• 低ドーピングおよび中程度の磁場領域では、磁気ポラロン相と完全にスピン極化された状態を分けるメタ磁性転移が観測される。
• 低磁場下では反強磁性スピンバッグ（ASBs）への相分離が生じ、最適な穴密度 nm は磁場がゼロに近づくにつれてゼロに減少する。
• 超冷却原子系における磁気ポラロンの直接観測は、3点関数の穴スピンスピン相関測定によって実現可能である。