[论文解读] Influence of a spatial anisotropy on presence of the intermediate one-half magnetization plateau of a spin-1/2 Ising-Heisenberg branched chain

Jozef Strečka, Katarína Karľová+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2021

Theoretical and Computational Physics参考文献 6被引用 6

一句话总结

本文通过转移矩阵法，精确求解了具有两个不同伊辛耦合常数和一个赫巴德二聚体的自旋-1/2伊辛-赫巴德分支链。结果表明，相互作用各向异性——特别是J2/J1的比值——控制着中间一半磁化平台的稳定性，当铁磁性伊辛耦合（J1）足够强时，该平台消失，标志着量子亚铁磁相的破坏。

ABSTRACT

A spin-1/2 Ising-Heisenberg branched chain constituted by regularly alternating Ising spins and Heisenberg dimers involving an additional side branching is exactly solved in a magnetic field by the transfer-matrix method. The spin-1/2 Ising-Heisenberg branched chain involves two different Ising and one Heisenberg coupling constants. The overall ground-state phase diagram is formed by three different ground states emergent depending on a mutual interplay between the magnetic field and three considered coupling constants: the modulated quantum antiferromagnetic phase, the quantum ferrimagnetic phase, and the classical ferromagnetic phase. It is shown that the interaction anisotropy connected to two different Ising coupling constants substantially influences a breakdown of the intermediate one-half magnetization plateau, which represents a macroscopic manifestation of the quantum ferrimagnetic phase.

研究动机与目标

• 研究伊辛耦合常数（J1和J2）的空间各向异性对量子自旋链中中间一半磁化平台稳定性的影响。
• 确定外磁场与三个耦合常数（J、J1、J2）之间的相互作用如何塑造基态相图。
• 建立量子亚铁磁相（该相负责一半磁化平台）被抑制的确切条件。
• 通过精确的热力学计算和相图验证磁化平台的出现与消失。
• 为具有实验相关性的分支伊辛-赫巴德模型提供一种严格且非微扰的量子磁性分析，其应用前景涉及配位聚合物。

提出的方法

• 该模型由一个包含三个耦合常数的哈密顿量定义：J（二聚体内的反铁磁性赫巴德相互作用），J1和J2（伊辛自旋与赫巴德自旋之间不同类型的伊辛耦合）。
• 采用转移矩阵法，通过消除赫巴德自旋自由度，精确求解该模型，将问题简化为对伊辛自旋构型的一维转移矩阵。
• 配分函数表示为转移矩阵的N次幂的迹，利用特征值λ+和λ−计算热力学极限下的吉布斯自由能。
• 通过分析自由能的低温极限构建基态相图，识别出三种不同相：量子反铁磁相（QAF）、量子亚铁磁相（QFI）和饱和顺磁相（SPP）。
• 通过标准热力学关系从自由能推导磁化曲线，磁化平台被识别为磁化强度随外磁场变化曲线中的平坦区域。
• 通过改变相互作用比值J2/J1并观察当铁磁性J1增强时从QFI相到SPP相的相变，评估一半平台的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 比值J2/J1（代表伊辛耦合的各向异性）如何影响中间一半磁化平台的存在性与稳定性？
• RQ2 量子亚铁磁相（QFI）在稳定一半磁化平台中起什么作用？它与经典铁磁相如何竞争？
• RQ3 当铁磁性伊辛耦合J1达到何种临界值时，一半磁化平台将完全消失？
• RQ4 随着J2/J1减小，基态相图如何演化，特别是对量子反铁磁相（QAF）的抑制有何影响？
• RQ5 精确解在多大程度上再现了真实配位聚合物（如[Fe2Cu2]∞）中观测到的磁化平台？

主要发现

• 无论J2/J1的比值如何，该模型均表现出三种精确的基态：量子反铁磁相（QAF）、量子亚铁磁相（QFI）和饱和顺磁相（SPP）。
• 中间一半磁化平台作为QFI相的宏观表征，仅在铁磁性伊辛耦合J1不过强时才稳定。
• 当J2/J1 = 0.1时，若J1/J = −6.0，一半磁化平台完全消失，表明平台破坏存在临界阈值。
• 随着J2/J1从1.0降至0.0，QFI相扩展至更低的J1值，而QAF相则逐渐被抑制，并在J2/J1 → 0的极限下完全消失。
• 三相共存点（QAF、QFI和SPP）随J2/J1减小而向更低的J1/J值移动，当J2/J1 = 0.1时，其坐标为[−5.52, 0.27]。
• 有限温度下的磁化曲线（kB T/J = 0.01至0.20）证实了相图预测：在J1/J = 3.0时呈现宽广的一半平台，而在J1/J = −6.0时则表现为主导的零平台并伴随一半平台的消失。