[论文解读] Curie temperature and quantum phase transitions in the Hubbard model with binary alloy disorder

Krzysztof Byczuk, M. Ulmke|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2004

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 15

一句话总结

本研究利用动力学平均场理论（DMFT）研究了一维单带 Hubbard 模型中具有二元合金无序的巡游铁磁性和金属-绝缘体转变。结果表明，无序引起的能带分裂在有限合金浓度下增强了居里温度，尤其是在强关联作用下；并识别出在莫特绝缘体点附近，由合金浓度变化驱动的无序顺磁相与铁磁基态之间的量子相变。

ABSTRACT

Magnetic and electric properties of the Hubbard model with binary alloy disorder are studied within the dynamical mean--field theory. A paramagnet--ferromagnet phase transition and a Mott--Hubbard metal--insulator transition are observed upon varying the alloy concentration. A disorder induced enhancement of the Curie temperature is demonstrated and explained by the effects of band splitting and subband filling. Different quantum phase transitions driven by changes of the alloy concentration are identified.

研究动机与目标

• 理解强关联电子系统中电子关联、无序与铁磁性之间的相互作用，这些系统具有二元合金无序。
• 研究合金浓度如何调控 Hubbard 模型中量子相变和居里温度。
• 识别并表征在莫特绝缘体区域附近无序顺磁基态与铁磁基态之间的新型量子相变。
• 探讨在等电子和非等电子合金体系中，无序增强居里温度的条件。
• 将对莫特-哈伯德转变的理解从仅由能带宽度和填充数控制的机制，扩展至包含合金浓度控制的新机制。

提出的方法

• 构建一个具有淬火二元合金无序的一维安德森-Hubbard哈密顿量，包含局域库仑排斥作用（U）、跃迁积分（t_ij）以及与位点相关的随机局域能量（ε_i）。
• 应用动力学平均场理论（DMFT）非微扰求解该模型，使强关联效应与无序效应在同等基础上被同时捕捉。
• 利用 DMFT 自洽条件计算局域格林函数和自能，从而实现电子结构、磁化强度和居里温度的计算。
• 在两种情形下分析系统：（1）等电子情形下电子密度 n 与合金浓度 x 无关；（2）非等电子情形下 n 随 x 变化。
• 通过分析居里温度和磁化强度在零温下的行为，识别量子相变，特别是在临界合金浓度处。
• 在强无序极限下使用哈特里-福克理论验证定性趋势，结果表明仅一个子带对居里温度有贡献，其抑制因子为 α = x 或 1−x。

实验结果

研究问题

• RQ1 二元合金无序如何影响具有强电子关联的 Hubbard 模型中的居里温度？
• RQ2 合金浓度能否作为调控参数，用于诱导顺磁基态与铁磁基态之间的量子相变？
• RQ3 能带分裂与子带填充在无序导致居里温度增强的过程中起什么作用？
• RQ4 当电子密度保持恒定时，Mott–Hubbard 金属-绝缘体转变如何依赖于合金浓度？
• RQ5 在何种条件下，无序会相对于无无序情况增强居里温度？

主要发现

• 当合金浓度 x 被调节至使下层子带半满时，无序可增强居里温度，尤其在 U 和 Δ > U 较大时。
• 在有限合金浓度处（如 Fe₁₋ₓCoₓS₂ 类体系中 x ≈ 0.76）观察到居里温度的最大值，而非在 x = 1 处，这是由于子带填充和能带分裂达到最佳。
• 在零温下，无序顺磁相与铁磁基态之间发生量子相变，居里温度在临界 x_c ≠ n 处趋于零，这与莫特-哈伯德转变点不同。
• 当 n、U 和 Δ 保持恒定时，通过改变合金浓度 x 可调控 Mott–Hubbard 金属-绝缘体转变，从而定义了一类新型的“合金浓度控制型”莫特转变。
• 在非等电子情形下（如 x = 2n），在弱 U 时居里温度被抑制，但在强 U 和 Δ ≳ 1 时被增强，这是由于下层子带实现有效半满。
• 与纯体系相比，无序体系中的居里温度被因子 α = x 或 1−x 抑制，该结果在哈特里-福克和 DMFT 框架下均一致。