[论文解读] Magnetism and Electronic States of Systems with Strong Hund Coupling

Katsunori Kubo, D. M. Edwards+3 more|ArXiv.org|Nov 19, 1998

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 3

一句话总结

本文利用双简并 Hubbard 模型和双交换模型，研究强关联体系中强 Hund 耦合下的铁磁性和电子态。研究发现，在超四分之一填充体系中，金属铁磁性通过双交换机制实现；而在四分之一填充时，出现具有轨道序的绝缘体铁磁态，且在一维与无限维之间表现出不同的维度依赖性。

ABSTRACT

This paper is a brief review of our recent studies concerning on magnetism and electronic states of lattice systems with Hund coupling. First we examined the effectiveness of the Hund coupling in realizing ferromagnetism in the doubly degenerate Hubbard model. One- and infinite-dimensional systems were studied and thereby dimensional dependence was discussed. In quarter-filled systems the insulating ferromagnetic state accompanied by alternating orbital order was found stable. In more-than-quarter filling cases metallic ferromagnetism is stabilized by the ``double exchange mechanism''. These results are common to one and infinite dimensions. In less-than-quarter filling cases the ferromagnetic ground state is stable in one dimension but not in infinite dimensions. Secondly we examined the electronic states and the resistivity in the double exchange model by using the one-particle Green function. The splitting and narrowing of the one-particle spectrum due to the Hund coupling were clarified in the framework of a single-site approximation. The resistivity due to the scattering by random localized spins was shown to be too small to explain the experimental results of doped manganites.

研究动机与目标

• 理解强 Hund 耦合在稳定关联电子体系中铁磁态的作用。
• 研究双简并 Hubbard 模型中铁磁序在一维与无限维之间的维度依赖性。
• 利用单体近似分析双交换模型中的电子结构与电阻率。
• 评估双交换机制在解释掺杂锰氧化物电阻率方面的有效性。
• 阐明四分之一填充及非四分之一填充体系中轨道序与铁磁性的相互作用。

提出的方法

• 采用双简并 Hubbard 模型研究一维与无限维晶格中的铁磁性。
• 应用单体近似计算单粒子格林函数并分析谱性质。
• 使用双交换模型研究电子态与自旋依赖的散射效应。
• 在单体近似框架内计算由随机局域自旋散射引起的电阻率。
• 分析在不同电子填充情况（四分之一填充、少于四分之一填充、多于四分之一填充）下铁磁基态的稳定性。
• 对比一维与无限维体系的结果，评估维度效应对磁序的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 Hund 耦合如何在一维与无限维体系中促进双简并 Hubbard 模型的铁磁性？
• RQ2 轨道序在四分之一填充时如何稳定绝缘体铁磁态？
• RQ3 为何在超四分之一填充体系中，金属铁磁性由双交换机制稳定？
• RQ4 由自旋散射引起的电阻率与掺杂锰氧化物的实验值相比如何？
• RQ5 在一维与无限维体系中，少于四分之一填充时铁磁性稳定性的差异如何解释？

主要发现

• 在四分之一填充时，无论在一维还是无限维体系中，均存在具有交替轨道序的绝缘体铁磁态。
• 在多于四分之一填充的体系中，金属铁磁性由双交换机制稳定，且在一维与无限维体系中表现一致。
• 在少于四分之一填充时，铁磁基态在一维体系中稳定，但在无限维体系中不稳定，表明存在强烈的维度依赖性。
• 单体近似揭示，Hund 耦合导致单粒子谱出现分裂与窄化。
• 由随机局域自旋散射引起的电阻率过小，无法解释掺杂锰氧化物中的实验电阻率。
• 仅靠双交换机制无法解释锰氧化物中观测到的高电阻率，表明还需额外的散射机制。