[论文解读] The disordered-free-moment phase: a low-field disordered state in spin-gap antiferromagnets with site dilution

Rong Yu, Tommaso Roscilde+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2006

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种在弱磁场下，位点稀释的自旋能隙反铁磁体中出现的新型无序自由磁矩（DFM）相，其中局域磁矩形成局域 singlet 态，并与外磁场反平行排列，从而形成无能隙、可压缩的态，类似于玻色玻璃态。该 DFM 相通过磁场驱动的量子相变从有序-由无序（OBD）态演化而来，由于稀有顺磁性团簇中局域极化场的分布，其磁化曲线表现出显著的伪平台。

ABSTRACT

Site dilution of spin-gapped antiferromagnets leads to localized free moments, which can order antiferromagnetically in two and higher dimensions. Here we show how a weak magnetic field drives this order-by-disorder state into a novel disordered-free-moment phase, characterized by the formation of local singlets between neighboring moments and by localized moments aligned antiparallel to the field. This disordered phase is characterized by the absence of a gap, as it is the case in a Bose glass. The associated field-driven quantum phase transition is consistent with the universality of a superfluid-to-Bose-glass transition. The robustness of the disordered-free-moment phase and its prominent features, in particular a series of pseudo-plateaus in the magnetization curve, makes it accessible and relevant to experiments.

研究动机与目标

• 研究位点稀释的自旋能隙反铁磁体中，磁场驱动的有序-由无序（OBD）态的演化行为。
• 识别并表征一种新发现的量子相——称为无序自由磁矩（DFM）相，该相在弱磁场下出现。
• 理解 OBD 相与 DFM 相之间量子相变的本质，特别是其与超流-玻色玻璃相变的关联。
• 解释 DFM 相中观测到的中间磁化伪平台的起源及其结构。
• 建立 DFM 相的实验特征，包括长程序的缺失和低温下有限的均匀磁化率。

提出的方法

• 分析一个二维 S=1/2 模型，其弱耦合的二聚体具有位点稀释，哈密顿量包含强的二聚体内（J）和较弱的二聚体间（J'）反铁磁耦合。
• 应用微扰理论推导出局域自由磁矩之间的有效顺磁耦合 J_ij ≈ (-1)^(i-j-1) (J1/r) exp(-r/ξ₀)，并考虑其随机空间分布。
• 使用数值对角化和精确对角化技术，研究在不同磁场下系统的基态和低能激发态。
• 执行自旋到硬核玻色子的变换，将系统映射到玻色子图像，识别出反向自旋准粒子（↓-QPs）为 DFM 相的关键载体。
• 构建键能和局域磁化的直方图，分析顺磁团簇（如二聚体、三聚体等）的分布及其在磁场下的极化行为。
• 将 DFM 相与玻色玻璃态进行比较，识别出该相变为由磁场作为负化学势驱动的局域化转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 弱磁场如何影响自旋能隙反铁磁体中因位点稀释而诱导的局域磁矩的长程反铁磁序？
• RQ2 有序-由无序（OBD）相与新发现的无序自由磁矩（DFM）相之间的量子相变本质是什么？
• RQ3 为何 DFM 相中会出现中间磁化伪平台？其场位置和宽度由什么决定？
• RQ4 稀有顺磁团簇（如二聚体、三聚体等）中局域极化场的分布如何影响磁化曲线及 DFM 相的出现？
• RQ5 DFM 相在多大程度上类似于玻色玻璃？尽管缺乏长程序，它如何仍保持有限的可压缩性？

主要发现

• DFM 相是一种无能隙、可压缩的态，其特征为完全极化的自由磁矩与稀有顺磁团簇（如二聚体、三聚体）中局域反平行自旋的共存。
• DFM 相中的磁化曲线表现出显著的伪平台，这是由于局域极化场的分布所致，其中第一伪平台与顺磁二聚体相关，第二伪平台与顺磁三聚体相关。
• DFM 相可维持到完全极化所有自由磁矩的磁场强度，第一伪平台出现在 h ≲ J′ 处，与主导顺磁二聚体的局域能隙一致。
• 从 OBD 相到 DFM 相的转变被识别为超流-玻色玻璃相变，其中 ↓-准粒子失去超流性但仍保持可压缩性。
• DFM 相具有鲁棒性且实验可观测，其关键特征包括长程序的缺失、低温下有限的均匀磁化率，以及可通过 NMR 检测到的丰富局域磁矩分布。
• 当纯体系的自旋能隙远大于顺磁相互作用的最大能量尺度时，DFM 相最为显著，从而确保 DFM 相与磁场诱导的有序态之间存在能量分离。