[論文レビュー] Magnetic Order and Superconductivity in the Bosonic t-J Model of CP$^1$ Spinons and Doped Bosonic Holons

Koji Aoki, Kazuhiko Sakakibara+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2008

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、CP$^1$スピンオン・ヒッグス場表現を用いた3次元U(1)格子ゲージ理論におけるドーピングされたボソン的ホールンの反強磁性秩序とボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）の相乗的相互作用を調査する。モンテカルロシミュレーションにより、低温および特定の空孔濃度において反強磁性秩序とホールンBECの共存が示され、2次元の相図においても同様の振る舞いを示し、冷たい原子系および強い電子相関系への洞察を提供する。

ABSTRACT

We study the three-dimensional U(1) lattice gauge theory of a CP$^1$ spinon (Schwinger boson) field and a Higgs field. It is a bosonic $t$-$J$ model in slave-particle representation, describing the antiferromagnetic (AF) Heisenberg spin model with doped bosonic holes expressed by the Higgs field. The spinon coupling term of the action favors AF long-range order, whereas the holon hopping term in the ferromagnetic channel favors Bose-Einstein condensation (BEC) of holons. We investigate the phase structure by means of Monte-Carlo simulations and study an interplay of AF order and BEC of holes. We consider the two variations of the model; (i) the three-dimensional model at finite temperatures, and (ii) the two-dimensional model at vanishing temperature. In the model (i) we find that the AF order and BEC coexist at low temperatures and certain hole concentrations. In the model (ii), by varying the hole concentration and the stiffness of AF spin coupling, we find a phase diagram similar to the model (i). Implications of the results to systems of cold atoms and the fermionic $t$-$J$ model of strongly-correlated electrons are discussed.

研究の動機と目的

• ドーピングされた量子スピン系における反強磁性秩序とボーズ＝アインシュタイン凝縮の競合と共存を理解すること。
• ドーピングされたボソン的ホールンを表すCP$^1$スピンオンとヒッグス場を有するU(1)格子ゲージ理論の相構造を調査すること。
• スピンオンが媒介する反強磁性秩序と、フェルミ磁性チャネルにおけるホールン跳躍の間の相互作用を調査すること。
• 有限温度の3次元版とゼロ温度の2次元版のモデルを比較し、相図の類似性を特定すること。

提案手法

• ドーピングされたボソン的ホールンを表すCP$^1$スピンオンとヒッグス場を有する3次元U(1)格子ゲージ理論として系を定式化すること。
• スレーブ粒子表現を用いて、空孔ドーピングを施した反強磁性ヘイゼンベルグ模型をボソン的t-J模型に写像すること。
• 有限温度における3次元モデルの相構造を探索するためにモンテカルロシミュレーションを実装すること。
• 空孔濃度とスピンオン剛性を調整することで、ゼロ温度における2次元モデルを分析すること。
• スピンオン結合項が長距離反強磁性秩序を促進し、ホールン跳躍項がフェルミ磁性チャネルにおけるBECを促進するように設定すること。
• 次元を越えて結果を比較し、相図における普遍的特徴を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーピングされたボソン的t-J模型において、反強磁性秩序とホールンのボーズ＝アインシュタイン凝縮は共存可能か？
• RQ2 有限温度の3次元モデルの相図は、ゼロ温度の2次元モデルとどのように比較できるか？
• RQ3 フェルミ磁性チャネルにおけるホールン跳躍が、スピンオンが媒介する反強磁性秩序の存在下でBECを安定化する役割を果たすか？
• RQ4 空孔濃度とスピンオン剛性は、共存相の安定性にどのように影響するか？
• RQ5 観察された相構造は、超冷却原子系およびフェルミ的t-J模型にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 有限温度の3次元モデルにおいて、低温および特定の空孔濃度において反強磁性秩序とホールンBECが共存する。
• ゼロ温度の2次元モデルは、3次元有限温度系と同様の相図的性質を示す。
• 共存相は、反強磁性秩序を促進するスピンオン結合と、フェルミ磁性チャネルにおけるBECを促進するホールン跳躍の間の競合によって生じる。
• 空孔濃度とスピンオン剛性を調整することで相図がチューニング可能であり、磁性秩序と超伝導的秩序の間の豊かな相互作用を示唆する。
• 結果は、超冷却原子および強い電子相関材料に関連するドーピングされた量子スピン系を理解するためのフレームワークを提供する。