[論文レビュー] Quantum phase transitions in alternating spin-(1/2, 5/2) Heisenberg chains

Antônio Sandoildo Freitas Tenório, R. R. Montenegro-Filho+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2012

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 74被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、有限温度ランチョス法および正確対角化法を用いて、交互に配置されたスピン-(1/2, 5/2)ヘイゼンベルグ鎖における量子相転移を調査した。温度–磁場相図において、ラッティッガー液体、強磁性プラトー、完全にスピン整列した状態という3つの明確に異なる低温相を同定した。また、量子臨界点およびクロスオーバー線を特定し、熱力学的性質について詳細な記述を行い、実験データおよび理論的モデルと比較した。

ABSTRACT

The ground state spin-wave excitations and thermodynamic properties of two types of ferrimagnetic chains are investigated: the alternating spin-1/2 spin-5/2 chain and a similar chain with a spin-1/2 pendant attached to the spin-5/2 site. Results for magnetic susceptibility, magnetization and specific heat are obtained through the finite-temperature Lanczos method with the aim in describing available experimental data, as well as comparison with theoretical results from the semiclassical approximation and the low-temperature susceptibility expansion derived from Takahashi's modified spin-wave theory. In particular, we study in detail the temperature vs. magnetic field phase diagram of the spin-1/2 spin-5/2 chain, in which several low-temperature quantum phases are identified: the Luttinger Liquid phase, the ferrimagnetic plateau and the fully polarized one, and the respective quantum critical points and crossover lines.

研究の動機と目的

• 強磁性を示す交互に配置されたスピン-(1/2, 5/2)鎖の熱力学的および磁気的性質を理解すること。
• CuMnDTOおよびMnNNといった実験的化合物を、ペイントスピンを有する・ないスピン-1/2とスピン-5/2鎖を用いてモデル化すること。
• 温度–磁場相図における量子相（ラッティッガー液体、プラトー、完全にスピン整列した状態）を同定・特徴づけること。
• 数値結果を半古典的近似およびタカハシの修正スピン波（MSW）理論と比較し、実験的磁化率および磁化データとも照合すること。
• 低温における磁気的応答に及ぼす量子臨界定常およびクロスオーバー行動の役割を分析すること。

提案手法

• 有限温度ランチョス法（FTLM）を用いて、比熱、磁化率、磁化といった熱的性質を計算する。
• 正確対角化（ED）を用いて、基底状態および低エネルギースピン波励起状態を計算する。
• sS鎖に対してはハミルトニアン HsS = J ∑(Si + Si+1) · si − gμB B Sz を適用し、sS鎖にスピン-1/2のペイントスピンを追加した拡張版をssS鎖に適用する。
• 数値結果を半古典的近似およびタカハシの修正スピン波（MSW）理論の予測と照合する。
• 磁化曲線および比熱の異常を分析することで、T–B相図をマッピングし、量子臨界点およびクロスオーバー線を特定する。
• CuMnDTOおよびMnNN化合物の磁化率および磁化の実験データに合わせて、モデルパラメータをフィッティングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン-1/2スピン-5/2ヘイゼンベルグ鎖の温度–磁場相図において、どのような量子相が出現するか？
• RQ2 sS鎖およびssS鎖の熱力学的性質（比熱、磁化率、磁化）は、実験データとどのように比較されるか？
• RQ3 T–B相図における量子臨界点およびクロスオーバー線の性質と位置は何か？
• RQ4 有限温度ランチョス法の結果は、半古典的および修正スピン波理論とどのように比較されるか？
• RQ5 実験データにフィッティングされたモデルパラメータは、CuMnDTOおよびMnNNにおける観測された磁気的挙動をどの程度再現するか？

主な発見

• sS鎖の温度–磁場相図には、低温で3つの明確な量子相が存在する：ラッティッガー液体、強磁性プラトー、完全にスピン整列した状態。
• ラッティッガー液体とプラトー相の境界、およびプラトー相と完全にスピン整列した状態の境界に量子臨界点が同定された。
• ラッティッガー液体とプラトー相を分けるクロスオーバー線は、比熱および磁化の温度依存性と磁場依存性から決定された。
• 適切にフィッティングされたモデルパラメータを用いることで、有限温度ランチョス法は、CuMnDTOおよびMnNNの実験的磁化率および磁化データを正確に再現した。
• 低温におけるゼロ磁場下の磁化率は、ラッティッガー液体の挙動に一致するべきべき乗則的依存性を示し、ギャップなし励起状態の存在を支持した。
• スピン-1/2のペイントスピンを有するssS鎖は、sS鎖と比較して相転移境界が変更され、磁化率が増大しており、局所的スピンフラストレーションおよび追加の低エネルギーモードの影響が示された。