[论文解读] 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 1

一句话总结

本研究通过CP$^1$自旋on-Higgs场表示法，在三维U(1)规范场理论中，利用蒙特卡罗模拟研究了掺杂玻色子空穴的自旋on与Bose-Einstein凝聚（BEC）之间的相互作用。在低温和特定空穴浓度下，模拟结果揭示了反铁磁序与空穴BEC的共存现象，二维相图也表现出相似行为，为冷原子系统和强关联电子体系提供了新见解。

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.

研究动机与目标

• 理解掺杂量子自旋系统中反铁磁序与Bose-Einstein凝聚之间的竞争与共存机制。
• 探索具有CP$^1$自旋on与Higgs场（代表掺杂玻色子空穴）的U(1)规范场理论的相结构。
• 研究自旋on介导的反铁磁序与费米子通道中空穴跳跃之间的相互作用。
• 比较有限温度三维与零温度二维模型的相图相似性。

提出的方法

• 将系统表述为具有CP$^1$自旋on与代表掺杂玻色子空穴的Higgs场的三维U(1)规范场理论。
• 采用任意子表示法，将掺杂空穴的反铁磁海森堡模型映射到玻色子t-J模型。
• 利用蒙特卡罗模拟研究三维模型在有限温度下的相结构。
• 通过调节空穴浓度与自旋on刚度，在零温度下分析二维模型的相结构。
• 利用自旋on耦合项促进长程反铁磁序，空穴跳跃项则促进费米子通道中的BEC。
• 跨维度比较结果，以识别相图中的普适特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在掺杂玻色子t-J模型中，反铁磁序与空穴BEC能否共存？
• RQ2 有限温度下三维模型的相图与零温度下二维模型的相图有何异同？
• RQ3 在自旋on介导的反铁磁序存在下，空穴在费米子通道中的跳跃在稳定BEC中起何作用？
• RQ4 空穴浓度与自旋on刚度如何影响共存相的稳定性？
• RQ5 所观察到的相结构对超冷原子系统与费米子t-J模型有何启示？

主要发现

• 在有限温度下的三维模型中，反铁磁序与空穴BEC在低温和特定空穴浓度下共存。
• 零温度下的二维模型表现出与三维有限温度情况定性相似的相图。
• 共存相的出现源于自旋on耦合（促进反铁磁序）与空穴跳跃（促进费米子通道中BEC）之间的竞争。
• 通过调节空穴浓度与自旋on刚度，可调控相图，表明磁序与超导序之间存在丰富相互作用。
• 研究结果为理解与超冷原子及强关联电子材料相关的掺杂量子自旋系统提供了理论框架。