[论文解读] Mott transition and Antiferromagnetic Metal on Shastry-Sutherland Lattice

Haidi Liu, Yao‐Hua Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2014

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 41被引用 4

一句话总结

本研究采用晶胞动力学平均场理论（CDMFT）结合连续时间量子蒙特卡罗方法（CTQMC），研究了在几何简并的Shastry-Sutherland晶格上的Hubbard模型，以探索量子相变。研究发现，在顺电金属相与莫特绝缘体相之间存在反铁磁金属相，并在强简并与强关联条件下识别出顺电绝缘体相，该相与价键固态基态一致。

ABSTRACT

The Shastry-Sutherland lattice, one of the simplest systems with geometric frustration, which has an exact eigenstate by putting singlets on diagonal bonds, can be realized in a group of layered compounds and rises both theoretical and experimental interest. Most of the previous studies on the Shastry-Sutherland lattice are focusing on the Heisenberg model. Here we opt for the Hubbard model to calculate phase diagrams over a wide range of interaction parameters, and show the competing effects of interaction, frustration and temperature. At low temperature, frustration is shown to favor a paramagnetic metallic ground state, while interaction drives the system to an antiferromagnetic insulator phase. Between these two phases, there are an antiferromagnetic metal phase and a paramagnetic insulator (which should be a valence bond solid) phase resulting from the competition of the frustration and the interaction. Our results may shed light on more exhaustive studies about quantum phase transitions in this lattice.

研究动机与目标

• 探究Hubbard模型在Shastry-Sutherland晶格上电子关联、几何简并与温度之间的相互作用。
• 识别标准莫特转变之外的新量子相，特别是在强简并条件下。
• 确定在强关联与强简并条件下顺电绝缘体相的性质，推测其为价键固态。
• 利用多体方法绘制相互作用强度、简并度与温度下的完整相图。
• 为具有几何简并的巡游电子系统中的莫特转变与磁序提供基准参考。

提出的方法

• 采用晶胞动力学平均场理论（CDMFT）通过将晶格映射为自洽的四格点簇，以引入短程空间关联。
• 使用连续时间量子蒙特卡罗方法（CTQMC）作为杂质求解器，精确计算簇格林函数与自能。
• 通过粗粒化Dyson方程求解自洽循环，关联有效介质、跃迁矩阵与簇格林函数。
• 计算单粒子谱函数、态密度与双占据数，以识别金属-绝缘体转变与磁序。
• 每次迭代执行10^7次蒙特卡罗步骤，以确保自能与格林函数的收敛。
• 通过调节相互作用强度（U）、简并度（t2/t1）与温度，绘制相图，重点关注半满填充（⟨n⟩=1）。

实验结果

研究问题

• RQ1 当电子关联与几何简并同时存在时，Hubbard模型在Shastry-Sutherland晶格上会涌现出哪些量子相？
• RQ2 简并度如何影响莫特金属-绝缘体转变与磁序的稳定性？
• RQ3 在顺电金属相与反铁磁绝缘体相之间是否存在反铁磁金属相？
• RQ4 在强关联与高简并度下，顺电绝缘体相的性质是什么？
• RQ5 相图如何随温度演化？量子相变的临界点位于何处？

主要发现

• 在中等相互作用区域识别出反铁磁金属相，其由简并与电子关联的竞争所稳定。
• 在低温下，莫特转变将顺电金属相与反铁磁绝缘体相分隔，反铁磁金属相位于两者之间。
• 当简并度较大时（t2/t1 ≈ 1.3），系统转变为顺电绝缘体相，该相与海森堡模型研究预测的价键固态基态一致。
• 磁序被抑制的临界点位于t2/t1 ≈ 1.3，对应于海森堡极限下的J1/J2 ≈ 0.6，与先前理论估算一致。
• 在金属相中，费米面随简并度增加而收缩，谱峰逐渐展宽，并在莫特转变点完全消失。
• 双占据数随U增大而减小，表明电子局域化开始，莫特转变发生，这一结论由谱函数失去相干性所证实。