[論文レビュー] Magnetic Susceptibilities of Spin-1/2 Antiferromagnetic Heisenberg Ladders and Applications to Ladder Oxide Compounds

D. C. Johnston, Matthias Troyer+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2000

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 2被引用数 12

ひとこと要約

本研究は、量子モンテカルロシミュレーションと実験的磁化率測定を組み合わせることで、スピン-1/2ヘイゼンベルグラダー、特にSrCu2O3およびSr2Cu3O5における磁気的交換パラメータを決定した。交換結合における強い空間的異方性が明らかになり、J'/J ≈ 0.5–0.66であった。2スピンラダーではスピンギャップが確認された一方、ラダー間の弱い結合が存在し、バナジ酸塩類（例：CaV2O5）では特徴的な挙動が観察された。

ABSTRACT

A comprehensive theoretical and experimental study is presented of the magnetic susceptibility versus temperature χ(T) of spin S = 1/2 two- and three-leg Heisenberg ladders and ladder oxide compounds. Extensive quantum Monte Carlo simulations of χ(T) were carried out for both isolated and coupled two-leg ladders with spatially anisotropic intraladder exchange. Accurate fits to these and related literature QMC data were obtained. We have also calculated the one- and two-magnon dispersion relations and the dynamical spin structure factor for anisotropic isolated 2 x 12 ladders. The exchange constants in the two-leg ladder compound SrCu2O3 are estimated from LDA+U calculations. We report the detailed crystal structure of SrCu2O3 and of the three-leg ladder compound Sr2Cu3O5. New experimental χ(T) data are reported for the two-leg ladder cuprates SrCu2O3 and LaCuO_{2.5}, and for the (nominally) two-leg ladder vanadates CaV2O5 and MgV2O5. The new and literature χ(T) data for these compounds and for Sr2Cu3O5 are modeled using our QMC χ(T) simulation fits, and the exchange coupling constants between the spins-1/2 are thereby estimated for each material. The surpisingly strong spatial anisotropy of the bilinear intraladder exchange constants in the cuprate compounds is discussed together with the results of other experiments sensitive to this anisotropy. Recent theoretical predictions are discussed including those which indicate that a four-spin cyclic exchange interaction within a Cu4 plaquette is important to determining the magnetic properties and which can significantly influence the exchange interactions estimated from χ(T) data assuming the presence of only bilinear exchange.

研究の動機と目的

• 量子モンテカルロ（QMC）シミュレーションを用いて、空間的に異方的な反強磁性ヘイゼンベルグラダーにおけるスピン-1/2ヘイゼンベルグラダーの磁気的交換パラメータ（J, J', J′′′）を決定すること。
• 実際のラダーオキサイド化合物（例：SrCu2O3, LaCuO2.5, Sr2Cu3O5, CaV2O5, MgV2O5）の磁化率データ（χ(T)）をモデル化・フィットすること。
• ラダーライン内およびラダー間の交換結合における空間的異方性の役割を調査すること。これには、強磁性および反強磁性のラダーライン結合が含まれる。
• 四スピンサイクル交換の重要性を含む理論的予測の妥当性を検証し、LDA+U計算と比較すること。
• これらの化合物における磁気的基底状態の性質を明確にすること。これにはスピンギャップの挙動や量子臨界点への近接性が含まれる。

提案手法

• 空間的に異方的な反強磁性交換と、さまざまなラダー間結合構成（2次元積層型、3次元LaCuO2.5型）を有する2本および3本のスピン-1/2ヘイゼンベルグラダーに対する、広範な量子モンテカルロ（QMC）シミュレーションを実施し、χ(T)を計算した。
• 高温系列展開（HTSE）からの制約を受けるように、J'/Jおよびラダー間結合比のべき級数展開を用いたQMCデータの高精度な解析と補間を実施した。
• LDA+U計算を用いてSrCu2O3における交換定数を推定し、実験的χ(T)データと比較してJおよびJ'/Jを抽出した。
• QMCデータと対称性の考察に基づくパラメータを用いた2パラメータのフィット関数を、実験的χ(T)データに適用した。この関数にはスピンギャップ（Δ）とクーリエ・ワイス型項が含まれる。
• J'/Jを変化させた2×12ラダー（0.5 ≤ J'/J ≤ 1）における1準位および2準位の磁振子分散関係を、QMCと解析的モデルを用いて分析した。
• SrCu2O3およびSr2Cu3O5の構造的・磁気的特徴を含め、複数の化合物における理論的フィットと実験的χ(T)データの比較を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 χ(T)フィットから得られる2スピンラダーにおける脚部交換結合定数（J）およびラダーライン結合定数（J'）の正確な値は何か？
• RQ2 交換結合における空間的異方性（J' ≠ J）は、これらのラダーにおける磁化率およびスピンギャップ挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ3 SrCu2O3およびLaCuO2.5におけるラダー間結合（J′′′）の強さと性質（反強磁性／強磁性）は何か？また、量子臨界点にどの程度近いか？
• RQ4 CaV2O5およびMgV2O5の実験的χ(T)データは、ダマーライクなスピン構造ではなく、ディマーライクな基底状態をどの程度支持するか？
• RQ5 Cu4プラケットにおける四スピンサイクル交換を含む理論的予測は、これらの化合物の観察された磁気的性質とどの程度一致するか？

主な発見

• SrCu2O3では、交換パラメータがJ/kB ≈ 1900 KおよびJ'/J ≈ 0.5として決定され、以前のモデルと整合的であり、スピンギャップを持つ基底状態であることが確認された。
• ラダー間結合J′′′/J ≈ 0.01(1)は非常に弱く、量子臨界点（J′′′/J ≈ 0.048）のスピンギャップ側に位置しており、ギャップを持つ非磁性基底状態と整合的である。
• Sr2Cu3O5では、強いラダーライン内異方性が確認され、J'/J = 0.66(5)およびJ/kB ≈ 1810(150) Kであった。これは等方的交換から顕著に逸脱していることを示している。
• LaCuO2.5では、χ(T)データはJ/kB ≈ 1700 KおよびJ'/J ≈ 0.5と整合的であり、3次元的強磁性ラダー間結合J^3D/J ≈ -0.05が得られた。これは量子臨界点（J^3D/J ≈ -0.036）に近く、反強磁性秩序の観測と整合的である。
• CaV2O5は、ラダー構造ではなく、内部ディマーの反強磁性結合J ≈ 669 K（g = 1.96）を有するディマー化合物であることが判明し、先行研究と一致した。
• MgV2O5は、LDA+U計算の予測通り、CaV2O5と著しく異なる交換パラメータを示しており、磁気的性質が局所的構造に極めて敏感であることが示された。