[论文解读] Charge and spin dynamics in the one-dimensional t-J_z and t-J models

Joachim Stolze, Shu Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 1997

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 6

一句话总结

本研究比较了一维 t-J_z 模型与 t-J 模型中的电荷与自旋动力学，以分离自旋翻转项在 Luttinger 液体基态中的作用。通过递归方法与连分数分析，研究发现：在相分离态中，t-J 模型中的自旋翻转过程维持了强 2-自旋子主导的自旋涨落；而 t-J_z 模型则由于拓扑聚类效应，表现出单模电荷激发与 Néel 长程序，凸显了在相分离时动力学与序结构的显著差异。

ABSTRACT

The impact of the spin-flip terms on the (static and dynamic) charge and spin correlations in the Luttinger-liquid ground state of the 1D $t-J$ model is assessed by comparison with the same quantities in the 1D $t-J_z$ model, where spin-flip terms are absent. We employ the recursion method combined with a weak-coupling or a strong-coupling continued-fraction analysis. At $J_z/t=0^+$ we use the Pfaffian representation of dynamic spin correlations. The changing nature of the dynamically relevant charge and spin excitations on approach of the transition to phase separation is investigated in detail. The $t-J_z$ charge excitations (but not the spin excitations) at the transition have a single-mode nature, whereas charge and spin excitations have a complicated structure in the $t-J$ model. In the $t-J_z$ model, phase separation is accompanied by N\'eel long-range order, caused by the condensation of electron clusters with an already existing alternating up-down spin configuration (topological long-range order). In the $t-J$ model, by contrast, the spin-flip processes in the exchange coupling are responsible for continued strong spin fluctuations (dominated by 2-spinon excitations) in the phase-separated state.

研究动机与目标

• 分离自旋翻转项对一维 t-J 模型 Luttinger 液体基态中电荷与自旋关联的影响。
• 比较无自旋翻转的 t-J_z 模型与有自旋翻转的 t-J 模型在动态与静态关联上的差异。
• 研究两种模型在相分离转变附近的电荷与自旋激发性质。
• 确定 t-J_z 模型中的相分离是否由于拓扑聚类而伴随长程 Néel 有序。
• 阐明自旋翻转过程在维持 t-J 模型相分离态中强自旋涨落中的作用。

提出的方法

• 采用递归方法结合弱耦合与强耦合连分数分析，以计算动态关联函数。
• 利用 Pfaffian 表示法，在 J_z/t → 0+ 极限下计算动态自旋关联。
• 比较 t-J_z 与 t-J 模型在静态与动态电荷及自旋关联函数上的差异。
• 分析在相分离转变附近具有动力学相关性的电荷与自旋激发结构。
• 研究 t-J_z 模型中长程序的出现及其与电子团簇凝结的关系。
• 考察自旋翻转项在维持相分离态中 2-自旋子主导自旋涨落中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 与无自旋翻转项的 t-J_z 模型相比，t-J 模型中的自旋翻转项如何改变电荷与自旋动力学？
• RQ2 在相分离转变时，t-J_z 模型中的电荷与自旋激发具有何种性质？
• RQ3 t-J_z 模型中的相分离是否导致 Néel 长程序？若然，其背后的机制是什么？
• RQ4 t-J 模型中的自旋翻转过程如何影响相分离态中的自旋涨落？
• RQ5 t-J 与 t-J_z 模型在相分离边界附近的动力学激发谱有何区别？

主要发现

• 在 t-J_z 模型中，相分离转变时的电荷激发表现出单模特性，与 t-J 模型中更复杂的结构形成对比。
• t-J_z 模型中的自旋激发保持能隙，且其动力学复杂性不及 t-J 模型中的表现。
• t-J_z 模型中的相分离伴随着 Néel 长程序，其驱动力为具有预存交替自旋构型的电子团簇凝结。
• 由于持续的自旋翻转过程，t-J 模型在相分离态中表现出强 2-自旋子主导的自旋涨落。
• t-J_z 模型中自旋翻转项的缺失导致一种与 t-J 模型中由涨落驱动的序不同的拓扑长程序机制。
• 在 J_z/t → 0+ 时，t-J_z 模型的动态自旋关联可通过 Pfaffian 表示精确捕捉，证实了无自旋翻转贡献。