[论文解读] Spectral properties of the Holstein double-exchange model and application to manganites

Martin Hohenadler, D. M. Edwards|ArXiv.org|Nov 9, 2001

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 10被引用 5

一句话总结

该论文将多体相干势近似（CPA）应用于霍尔斯坦双交换模型，研究锰氧化物中的谱性质，揭示了费米能级处的赝能隙，并预测仅在强耦合体系（如镧基锰氧化物）中存在小极化子能带。该研究推导出自旋波刚度的严格上界，表明D随电子-声子耦合增强而减小，其变化趋势与T_C类似；但在强耦合下，D/(k_B T_C)随耦合增强而上升，与低T_C锰氧化物中的实验趋势一致。

ABSTRACT

Calculations of one-electron spectral functions, optical conductivity and spin-wave energy in the Holstein double-exchange model are made using the many-body coherent potential approximation. Satisfactory agreement is obtained with angle-resolved photoemission results on La_1.2Sr_1.8Mn_2O_7 and optical measurements on Nd_0.7Sr_0.3MnO_3. A pseudogap in the one-electron spectrum at the Fermi level plays an important role in both systems, but a small-polaron band is only predicted to exist in the La system. A rigorous upper bound on spin-wave energies at T=0 is derived. The spin-wave stiffness constant D decreases with increasing electron-phonon coupling g in a similar way to the Curie temperature Tc, but D/(k_B Tc) increases for large g (low Tc) as observed experimentally.

研究动机与目标

• 使用多体CPA研究霍尔斯坦双交换模型中的谱函数，以与角分辨光电子能谱（ARPES）和光学电导率数据进行比较。
• 解释一电子谱中赝能隙的起源及其在锰氧化物中金属行为中的作用。
• 分析铁磁锰氧化物中的光学电导率和自旋波刚度，尤其关注电子-声子耦合的影响。
• 在T=0时推导出自旋波能隙的严格上界，并研究其对电子-声子耦合的依赖性。
• 调和理论预测与La1.2Sr1.8Mn2O7和Nd0.7Sr0.3MnO3的实验观测结果，特别是中间耦合体系中未观测到小极化子行为的原因。

提出的方法

• 将多体相干势近似（CPA）应用于霍尔斯坦双交换哈密顿量，通过耦合强度为g的爱因斯坦声子引入电子-声子耦合。
• 在原子极限（t_ij=0）下使用修正贝塞尔函数和玻色统计计算一电子格林函数，得到非相互作用极限下的精确结果。
• 计算谱函数以模拟角分辨光电子能谱（ARPES）数据，揭示费米能级处存在赝能隙，且子带具有指数级小权重。
• 计算光学电导率以与实验测量结果比较，特别关注进入铁磁态后光谱权重向低频移动的现象。
• 利用CPA在T=0时推导出自旋波刚度D作为上界，其依赖于电子-声子耦合强度g和居里温度T_C。
• 模型假设J=∞以防止双占据，确保在n=1时呈现莫特绝缘体态，并聚焦于顺磁和铁磁基态。

实验结果

研究问题

• RQ1 电子-声子耦合如何影响霍尔斯坦双交换模型中的一电子谱函数，特别是在La1.2Sr1.8Mn2O7的ARPES观测中表现如何？
• RQ2 该模型是否预测锰氧化物中形成小极化子能带？它们在何种条件下出现？
• RQ3 自旋波刚度D如何依赖于电子-声子耦合强度g？其行为是否与T_C和D/(k_B T_C)的实验趋势一致？
• RQ4 为何Nd0.7Sr0.3MnO3的光学电导率不符合小极化子模型中激活能=峰光子能量1/4的预测？CPA如何解释这一现象？
• RQ5 多体CPA能否为铁磁基态中的自旋波能量提供可靠的上界？其与实验测得的D/(k_B T_C)比值相比如何？

主要发现

• 该模型再现了在La1.2Sr1.8Mn2O7的ARPES实验中观测到的费米能级处的赝能隙，且子带的指数级小权重导致金属行为较差。
• 仅在强耦合体系（如镧基锰氧化物）中预测到小极化子能带，而在中等耦合体系（如Nd0.7Sr0.3MnO3）中未出现，与实验光学数据一致。
• 光学电导率显示，进入铁磁态后光谱权重向低频移动，但该效应在CPA中因虚假的非相干散射而略有抑制。
• 自旋波刚度D随电子-声子耦合强度g的增加而减小，其变化趋势与居里温度T_C类似，符合模型预测。
• 在强耦合下，D/(k_B T_C)随g迅速增加，与低T_C锰氧化物（如NSMO和LCMO）的实验观测一致，其中D/(k_B T_C)达到9.7 Ų。
• 在T=0时推导出自旋波刚度D的严格上界，该上界在更精确的近似中会降低，表明CPA可能在中等耦合下低估D，尤其在g/W=0.16的LCMO体系中。