[論文レビュー] Spectral properties of the Holstein double-exchange model and application to manganites

Martin Hohenadler, D. M. Edwards|ArXiv.org|Nov 9, 2001

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 10被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ヘイズン二重交換模型に多体コherentポテンシャル近似（CPA）を適用し、マンガナイトにおけるスペクトル特性を研究した。フェルミ準位に準位ギャップが現れ、Laベースのマンガナイトのような強い結合系でのみ小極子帯が予測された。スピン波剛性の厳密な上界が導出され、T_Cと同様にDは電子-格子結合により減少するが、強結合系ではD/(k_B T_C)が増加し、低T_Cのマンガナイトにおける実験的傾向と一致する。

ABSTRACT

Calculations of one-electron spectral functions, optical conductivity and spin-wave energy in the Holstein double-exchange model are made using the many-body coherent potential approximation. Satisfactory agreement is obtained with angle-resolved photoemission results on La_1.2Sr_1.8Mn_2O_7 and optical measurements on Nd_0.7Sr_0.3MnO_3. A pseudogap in the one-electron spectrum at the Fermi level plays an important role in both systems, but a small-polaron band is only predicted to exist in the La system. A rigorous upper bound on spin-wave energies at T=0 is derived. The spin-wave stiffness constant D decreases with increasing electron-phonon coupling g in a similar way to the Curie temperature Tc, but D/(k_B Tc) increases for large g (low Tc) as observed experimentally.

研究の動機と目的

• ARPESおよび光学伝導度データと比較するため、多体CPAを用いてホルスタイン二重交換模型のスペクトル関数を調査すること。
• 一次元スペクトルにおける準位ギャップの起源を解明し、マンガナイトにおける金属的挙動が果たす役割を明らかにすること。
• 強磁性マンガナイトにおける光学伝導度およびスピン波剛性を、電子-格子結合と関連して分析すること。
• T=0におけるスピン波エネルギーの厳密な上界を導出し、その電子-格子結合強度に依存する性質を検討すること。
• La1.2Sr1.8Mn2O7およびNd0.7Sr0.3MnO3における理論的予測と実験的観察を一致させること、特に中程度結合系では小極子帯の振る舞いが観察されない点を説明すること。

提案手法

• 電子-格子結合をエインシュタイン格子モード（結合強度g）で記述したホルスタイン二重交換ハミルトニアンに多体coherentポテンシャル近似（CPA）を適用した。
• 原子極限（t_ij=0）において、修正ベッセル関数とボーズ統計を用いて一次元グリーン関数を計算し、非相互作用極限で正確な結果が得られた。
• スペクトル関数を計算して角度分解光電子効果（ARPES）データをモデル化し、フェルミ準位に準位ギャップが現れ、指数的に小さい重みを持つ準位バンドが存在することが明らかになった。
• 実験測定と比較するための光学伝導度を計算した。特に強磁性状態に遷移する際、スペクトル重みが低周波数にシフトする傾向が観察された。
• CPAを用いてT=0におけるスピン波剛性Dの上界を導出し、電子-格子結合強度gおよびCurie温度T_Cに依存する性質を明らかにした。
• 重い電子状態の防止のためJ=∞を仮定し、n=1でモット絶縁体状態を保証した。また、パラ磁性および強磁性基底状態に焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子-格子結合がホルスタイン二重交換模型における一次元スペクトル関数に与える影響は何か。特にLa1.2Sr1.8Mn2O7におけるARPES観測とどのように関連するか。
• RQ2 本モデルはマンガナイトにおける小極子帯の形成を予測するか。どのような条件下でそれらが出現するか。
• RQ3 スピン波剛性Dは電子-格子結合強度gにどのように依存するか。また、T_CおよびD/(k_B T_C)の実験的傾向と一致するか。
• RQ4 Nd0.7Sr0.3MnO3における光学伝導度はなぜ小極子予測の活性化エネルギー（ピーク光子エネルギーの1/4）に従わないのか。CPAはこの現象をどのように説明できるか。
• RQ5 多体CPAは強磁性基底状態におけるスピン波エネルギーに信頼できる上界を提供できるか。実験的なD/(k_B T_C)比と比較してどうなるか。

主な発見

• 本モデルは、La1.2Sr1.8Mn2O7におけるARPESで観測されたフェルミ準位の準位ギャップを再現し、指数的に小さい重みを持つ準位バンドが金属的挙動の劣化に寄与することが示された。
• 小極子帯はLaベースのマンガナイトのような強く結合した系でのみ予測され、Nd0.7Sr0.3MnO3のような中程度結合系では予測されず、実験的光学データと整合的である。
• 光学伝導度は強磁性状態に移行する際、スペクトル重みが低周波数にシフトするが、CPAにおける不適切な非一様散乱の影響により、この効果は多少抑制されている。
• 電子-格子結合強度gが増加するにつれて、モデルが予測するようにスピン波剛性DはCurie温度T_Cと同様に減少する。
• 強結合領域では、比D/(k_B T_C)はgの増加に伴い急激に増加し、NSMOやLCMOのような低T_Cのマンガナイトにおける実験的観測（D/(k_B T_C) = 9.7 Ų）と一致する。
• T=0におけるDの厳密な上界が導出された。より正確な近似ではこの値は低下するため、CPAは特にg/W=0.16を示すLCMOのような中程度結合系ではDを低く見積もっている可能性がある。