[论文解读] Quantum phase transitions in alternating spin-(1/2, 5/2) Heisenberg chains

Antônio Sandoildo Freitas Tenório, R. R. Montenegro-Filho+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2012

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 74被引用 19

一句话总结

本研究利用有限温度Lanczos方法与精确对角化方法，研究了交替自旋-(1/2, 5/2)的海森堡链中的量子相变。研究识别出温度-磁场相图中三种不同的低温相——Luttinger液体相、铁磁平台相与完全极化相，以及量子临界点与交叉线，对热力学性质进行了详细描述，并与实验数据及理论模型进行了比较。

ABSTRACT

The ground state spin-wave excitations and thermodynamic properties of two types of ferrimagnetic chains are investigated: the alternating spin-1/2 spin-5/2 chain and a similar chain with a spin-1/2 pendant attached to the spin-5/2 site. Results for magnetic susceptibility, magnetization and specific heat are obtained through the finite-temperature Lanczos method with the aim in describing available experimental data, as well as comparison with theoretical results from the semiclassical approximation and the low-temperature susceptibility expansion derived from Takahashi's modified spin-wave theory. In particular, we study in detail the temperature vs. magnetic field phase diagram of the spin-1/2 spin-5/2 chain, in which several low-temperature quantum phases are identified: the Luttinger Liquid phase, the ferrimagnetic plateau and the fully polarized one, and the respective quantum critical points and crossover lines.

研究动机与目标

• 理解反铁磁性交替自旋-(1/2, 5/2)链的热力学与磁性性质。
• 通过包含与不包含悬挂自旋的自旋-1/2与自旋-5/2链，对实验化合物如CuMnDTO与MnNN进行建模。
• 在T–B相图中识别并表征量子相与相变，包括Luttinger液体相、平台相与完全极化相。
• 将数值结果与半经典的近似理论及Takahashi的改进自旋波（MSW）理论进行比较，并与实验测得的磁化率与磁化数据进行对比。
• 分析量子临界性与交叉行为在低温磁响应中的作用。

提出的方法

• 采用有限温度Lanczos方法（FTLM）计算比热、磁化率与磁化等热力学性质。
• 利用精确对角化（ED）计算基态及低能自旋波激发。
• 应用sS链的哈密顿量HsS = J ∑(Si + Si+1) · si − gμB B Sz，并对带有自旋-1/2悬挂自旋的ssS链采用扩展形式。
• 将数值结果与半经典近似及Takahashi的改进自旋波（MSW）理论预测进行比较。
• 通过分析磁化曲线与比热异常，绘制T–B相图，以识别量子临界点与交叉线。
• 通过拟合CuMnDTO与MnNN化合物的磁化率与磁化实验数据，确定模型参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在自旋-1/2与自旋-5/2海森堡链的温度-磁场相图中，会涌现出哪些量子相？
• RQ2 sS链与ssS链的热力学性质（比热、磁化率、磁化）与实验数据相比如何？
• RQ3 T–B相图中量子临界点与交叉线的性质与位置是什么？
• RQ4 有限温度Lanczos方法的结果与半经典理论及改进自旋波理论相比如何？
• RQ5 从实验数据拟合得到的模型参数在多大程度上能再现CuMnDTO与MnNN中观测到的磁性行为？

主要发现

• sS链的温度-磁场相图揭示了三种不同的低温量子相：Luttinger液体相、铁磁平台相与完全极化相。
• 在Luttinger液体相与平台相之间、以及平台相与完全极化相之间的边界处，识别出量子临界点。
• 通过比热与磁化的温度与磁场依赖性，确定了Luttinger液体相与平台相之间的交叉线。
• 当模型参数适切拟合时，有限温度Lanczos方法能准确再现CuMnDTO与MnNN的实验磁化率与磁化数据。
• 低温零场磁化率表现出幂律依赖关系，与Luttinger液体行为一致，支持无能隙激发的存在。
• 带有自旋-1/2悬挂自旋的ssS链表现出修改后的相边界与增强的磁化率，表明局域自旋阻挫与额外低能激发模式的影响。