[论文解读] High-temperature kinetic magnetism in triangular lattices

Ivan Morera, Márton Kanász-Nagy+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 9

一句话总结

该论文提出，由于在自旋无序莫特绝缘体中掺杂载流子形成磁性孤子，三角晶格费米子-哈伯德模型中会涌现出高温动力学磁性。空穴掺杂通过动能阻挫诱导产生反铁磁性孤子，而电子掺杂则通过双占据子运动产生类似Nagaoka的铁磁关联。关键结果是，有效磁相互作用可超过交换能J，从而解释了在远高于J的温度下，扭曲过渡金属二硫属化物莫尔材料中的近期实验观测结果。

ABSTRACT

We study kinetic magnetism for the Fermi-Hubbard models in triangular type lattices, including a zigzag ladder, four- and six-legged triangular cylinders and a full two-dimensional triangular lattice. We focus on the regime of strong interactions, $U\gg t$ and filling factors around one electron per site. For temperatures well above the hopping strength, the Curie-Weiss form of the magnetic susceptibility suggests effective antiferromagnetic correlations for systems that are hole doped with respect to $ν=1$, and ferromagnetic correlations for systems with electron dopings. We show that these correlations arise from magnetic polaron dressing of charge carrier propagating in a spin incoherent Mott insulator. Effective interactions corresponding to these correlations can strongly exceed the magnetic super-exchange energy. In the case of hole doping, antiferromagnetic polarons originate from kinetic frustration of individual holes in a triangular lattice. In the case of electron doping, Nagaoka type ferromagnetic correlations are induced by propagating doublons. These results provide a theoretical explanation of recent experimental results in moire TMDC materials. To understand many-body states arising from antiferromagentic polarons at low temperatures, we study hole doped systems in finite magnetic fields. At low dopings and intermediate magnetic fields we find a magnetic polaron phase, separated from the fully polarized state by a metamagnetic transition. With decreasing magnetic field the system shows a tendency to phase separate, with hole rich regions forming antiferromagnetic spinbags. We demonstrate that direct observations of magnetic polarons in triangular lattices can be achieved in experiments with ultracold atoms, which allow measurements of three point hole-spin-spin correlations.

研究动机与目标

• 解释在扭曲过渡金属二硫属化物莫尔材料中实验观测到的铁磁与反铁磁相互作用之间的转变。
• 阐明在远高于超交换能 J = 4t²/U 的温度下，强有效磁相互作用的起源。
• 表征动能阻挫在空穴掺杂三角晶格中诱导反铁磁关联，以及在电子掺杂系统中诱导铁磁关联的作用。
• 证明磁性孤子相及在有限磁场下相分离为反铁磁自旋袋的存在。

提出的方法

• 分析强U/t区域下三角晶格（包括之字形梯子、三角柱面和二维晶格）的费米子-哈伯德哈密顿量。
• 利用高温展开和自旋-电荷分离，从载流子运动推导有效磁相互作用。
• 对一维和二维柱面应用张量网络方法，对二维晶格使用蒙特卡洛模拟计算自旋-自旋关联函数。
• 引入磁性孤子气体模型，其极化平台结构随磁场和掺杂浓度变化。
• 识别出在低磁场下，反铁磁自旋袋（ASBs）为相分离态，其空穴密度依赖于局域化长度。
• 计算三重空穴-自旋-自旋关联函数，以实现实验中在超冷原子系统中的直接探测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在三角晶格中，有效磁相互作用是否可在远高于超交换能J的温度下出现？
• RQ2 空穴掺杂三角晶格中反铁磁关联的起源是什么？其与电子掺杂系统中铁磁关联有何不同？
• RQ3 在自旋无序莫特绝缘体中，磁性孤子如何随掺杂浓度和磁场形成与演化？
• RQ4 动能阻挫在调控掺杂三角晶格磁响应中起什么作用？
• RQ5 在掺杂三角晶格中是否可能发生相分离为反铁磁自旋袋？其与磁场的关系如何？

主要发现

• 空穴掺杂系统中的有效反铁磁相互作用源于动能阻挫，导致反铁磁孤子形成，从而降低空穴的动能。
• 电子掺杂系统中的有效铁磁相互作用源于双占据子传播，产生类似Nagaoka的铁磁关联。
• 有效磁相互作用强度 Jeff ∼ −1.14ϵt 可超过超交换能J，尤其在高温 kBT > t 时更为显著。
• 在低掺杂和中等磁场下，磁性孤子相与完全极化态之间存在一种元磁相变。
• 在低磁场下，相分离为反铁磁自旋袋（ASBs）发生，其最优空穴密度 nm 随磁场趋近于零而减小至零。
• 通过三重空穴-自旋-自旋关联函数测量，可在超冷原子实验中实现对磁性孤子的直接观测。