[논문 리뷰] High-temperature kinetic magnetism in triangular lattices

Ivan Morera, Márton Kanász-Nagy외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 12.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 스핀 비일관성 Mott 절연체에서 도핑된 전하 운반자가 형성하는 자성 폴라론에 의해 삼각 격자 페르미-허버드 모형에서 고온에서 운동적 자성의 상전이가 발생함을 제안한다. 정공 도핑은 운동적 과잉에 의해 반자성 폴라론을 유도하고, 전자 도핑은 이중자기 상태의 강한 자성 상관관계를 유도한다. 주요 결과는 효과적 자성 상호작용이 초순수 스핀 교환 에너지 J를 초월할 수 있으며, 이는 J보다 훨씬 높은 온도에서 최근의 비틀린 전이 금속 디할라이드 모어 재료의 관측 결과를 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비틀린 전이 금속 디할라이드 모어 재료에서 관측된 자성 상호작용의 반자성과 강자성 간 전이를 설명하기 위해.
• 초순수 스핀 교환 에너지 J = 4t²/U보다 훨씬 높은 온도에서 강한 효과적 자성 상호작용의 기원을 규명하기 위해.
• 정공 도핑된 삼각 격자에서 운동적 과잉이 반자성 상관관계를 유도하는 방식과 전자 도핑된 시스템에서 강자성 상관관계를 형성하는 방식을 규명하기 위해.
• 자성 폴라론 상과 자성 밀도가 낮은 자기장에서의 반자성 스핀 백색 상 분리 상태의 존재를 입증하기 위해.

제안 방법

• 강한 U/t 영역에서 삼각 격자, 줄무늬 래버, 삼각형 실린더, 2D 격자에서 페르미-허버드 해밀토니언을 분석한다.
• 고온 전개와 스핀-전하 분리 기법을 사용하여 전하 운반자의 운동으로부터 효과적 자성 상호작용을 유도한다.
• 1D 및 2D 실린더에서는 텐서 네트워크 방법을, 2D 격자에서는 몬테카를로 시뮬레이션을 적용하여 스핀-스핀 상관 함수를 계산한다.
• 자기장과 도핑에 따라 극화 플레이트오르 구조를 가지는 자성 폴라론 기체 모델을 도입한다.
• 낮은 자기장에서 자성 밀도가 낮은 반자성 스핀 백색 상(ASBs)이 상분리 상태로 나타나며, 정공 밀도는 국소화 길이에 따라 달라진다.
• 초저온 원자 시스템에서 직접 실험적 검출이 가능한 3점 정공-스핀-스핀 상관 함수를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 삼각 격자에서 초순수 스핀 교환 에너지 J보다 훨씬 높은 온도에서 효과적 자성 상호작용이 나타날 수 있는가?
• RQ2 정공 도핑된 삼각 격자에서 반자성 상관관계의 기원은 무엇이며, 전자 도핑된 시스템에서의 강자성 상관관계와는 어떻게 다를까?
• RQ3 스핀 비일관성 Mott 절연체에서 자성 폴라론은 도핑과 자기장에 따라 어떻게 형성되고 진화하는가?
• RQ4 운동적 과잉은 도핑된 삼각 격자에서의 자성 반응을 어떻게 형성하는가?
• RQ5 도핑된 삼각 격자에서 반자성 스핀 백색 상(ASBs)의 상분리 현상이 발생할 수 있으며, 자기장에 따라 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 정공 도핑된 시스템에서 운동적 과잉에 의해 반자성 상호작용이 발생하며, 이는 정공의 운동 에너지를 낮추는 반자성 폴라론을 형성한다.
• 전자 도핑된 시스템에서 이중자기 운동에 의해 Nagaoka 유형의 강자성 상관관계가 나타나며, 이는 효과적 강자성 상호작용을 유도한다.
• 효과적 자성 상호작용 강도 Jeff ∼ −1.14ϵt는 초순수 스핀 교환 에너지 J를 초월할 수 있으며, 특히 고온에서 kBT > t 조건에서 두드러진다.
• 낮은 도핑과 중간 자기장에서 자성 폴라론 상과 완전히 극화된 상태를 분리하는 메타자성 전이가 발생한다.
• 낮은 자기장에서 반자성 스핀 백색 상(ASBs)의 상분리가 발생하며, 최적의 정공 밀도 nm는 자기장이 0에 가까워질수록 0으로 감소한다.
• 초저온 원자 실험에서 3점 정공-스핀-스핀 상관 함수 측정을 통해 자성 폴라론의 직접 관측이 가능하다.