[论文解读] 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 12

一句话总结

本研究结合了量子蒙特卡罗模拟与实验磁化率测量，以确定自旋-1/2海森堡梯状结构中的磁交换参数，特别是SrCu2O3和Sr2Cu3O5中的参数。研究揭示了交换耦合存在强烈的空间各向异性，J'/J ≈ 0.5–0.66，并证实了双腿梯状结构中存在自旋能隙，同时识别出较弱的层间耦合以及类似钒酸盐化合物（如CaV2O5）中的独特行为。

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.

研究动机与目标

• 使用量子蒙特卡罗（QMC）模拟确定自旋-1/2反铁磁海森堡梯状结构中的磁交换参数（J, J', J′′′）。
• 对真实梯状氧化物化合物（如SrCu2O3、LaCuO2.5、Sr2Cu3O5、CaV2O5和MgV2O5）的实验磁化率数据（χ(T)）进行建模与拟合。
• 研究空间各向异性在层内与层间交换耦合中的作用，包括反铁磁与铁磁腿间耦合。
• 评估理论预测的有效性，包括Cu4环状四自旋交换的重要性，并与LDA+U计算结果进行比较。
• 阐明这些化合物中磁基态的本质，包括自旋能隙行为以及接近量子临界点的程度。

提出的方法

• 对具有空间各向异性反铁磁交换作用及不同层间耦合构型（二维堆叠、三维LaCuO2.5型）的双腿与三腿自旋-1/2海森堡梯状结构进行广泛的量子蒙特卡罗（QMC）χ(T)模拟。
• 利用J'/J与层间耦合比的幂级数展开，结合高温系列展开（HTSE）的约束，对QMC数据进行精确的解析拟合与插值。
• 使用LDA+U计算估算SrCu2O3中的交换常数，并与实验χ(T)数据对比以提取J与J'/J。
• 对实验χ(T)数据应用双参数拟合函数，包含自旋能隙（Δ）与居里-外斯型项，参数基于QMC数据与对称性考虑得出。
• 利用QMC与解析建模分析2×12梯状结构在不同J'/J（0.5 ≤ J'/J ≤ 1）下的单-与双-磁振子色散关系。
• 将理论拟合与多个化合物的实验χ(T)数据进行比较，包括对SrCu2O3与Sr2Cu3O5的结构与磁性表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过χ(T)拟合，双腿自旋-1/2海森堡梯状结构中腿间（J）与横档间（J'）交换耦合常数的精确值是什么？
• RQ2 交换耦合的空间各向异性（J' ≠ J）如何影响这些梯状结构的磁化率与自旋能隙行为？
• RQ3 SrCu2O3与LaCuO2.5中层间耦合（J′′′）的强度与性质（AF/FM）如何？它们距离量子临界点有多近？
• RQ4 CaV2O5与MgV2O5的实验χ(T)数据在多大程度上支持其为二聚化基态而非梯状自旋结构？
• RQ5 涉及Cu4环状四自旋交换的理论预测与这些化合物中观测到的磁性性质相比如何？

主要发现

• 对于SrCu2O3，交换参数确定为J/kB ≈ 1900 K，J'/J ≈ 0.5，与先前建模结果一致，表明存在自旋能隙基态。
• 层间耦合J′′′/J ≈ 0.01(1)极弱，位于量子临界点（J′′′/J ≈ 0.048）的自旋能隙侧，与具有能隙的非磁性基态一致。
• 在Sr2Cu3O5中，发现强烈的层内各向异性，J'/J = 0.66(5)，且J/kB ≈ 1810(150) K，表明与各向同性交换存在显著偏离。
• 对于LaCuO2.5，χ(T)数据与J/kB ≈ 1700 K与J'/J ≈ 0.5一致，其三维铁磁层间耦合J^3D/J ≈ -0.05，接近且位于量子临界点（J^3D/J ≈ -0.036）的反铁磁有序侧，与观测到的反铁磁有序一致。
• CaV2O5被确定为二聚化合物，其层内二聚反铁磁耦合J ≈ 669 K（g = 1.96），而非梯状结构，与先前研究一致。
• MgV2O5的交换参数与CaV2O5显著不同，与LDA+U计算预测相符，凸显磁性性质对局域结构的敏感性。