[论文解读] Thermodynamic Spin Glass Phase Induced by Weak Random Exchange Disorder in a Classical Spin Liquid: the Case of the Pyrochlore Heisenberg Antiferromagnet

Ka-Ming Tam, A. Hitchcock+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2010

Theoretical and Computational Physics被引用 4

一句话总结

该论文通过大规模蒙特卡洛模拟，提供了强有力的数值证据，表明在尖晶石晶格上的经典自旋液体中，微弱的随机反铁磁交换无序可诱导出有限温度的热力学自旋玻璃相。研究证明，即使无序强度极弱，也能稳定自旋玻璃转变，为Y₂Mo₂O₇中观测到的自旋玻璃行为提供了一种机制。

ABSTRACT

The glassy behavior observed in the pyrochlore magnet Y2Mo2O7, where the magnetic Mo^{4+} ions interact predominantly via isotropic nearest neighbor antiferromagnetic exchange, possibly with additional weak disorder, is a distinct class of spin glass systems where frustration is mostly geometrical. A model proposed to describe such a spin glass behavior is the Heisenberg model on a pyrochlore lattice with random but strictly antiferromagnetic exchange disorder. In this paper, we provide compelling numerical evidence from extensive Monte Carlo simulations which show that the model exhibits a finite temperature spin glass transition and thus is a realization of a spin glass induced by random weak disorder from spin liquid. From our results, we are led to suggest that the spin glass state of Y2Mo2O7 is driven by effective strong disorder.

研究动机与目标

• 确定在经典自旋液体中，微弱的随机交换无序是否能诱导出热力学自旋玻璃相。
• 解决Y₂Mo₂O₇中自旋玻璃行为起源的争议，该体系缺乏传统的竞争铁磁/反铁磁相互作用。
• 检验具有微弱无序的尖晶石赫令伯格模型是否表现出真正的有限温度自旋玻璃转变。
• 利用最先进的模拟技术，确定自旋玻璃转变的临界温度和临界指数。

提出的方法

• 在包含最多16L³自旋（L = 4, 6, 8）的有限尺寸尖晶石晶格上，使用大规模蒙特卡洛方法进行数值模拟。
• 采用并行退火和超松弛化步长以提高平衡化和采样效率。
• 使用爱德华-安德森自旋玻璃序参量和序参量 susceptibility 检测自旋玻璃转变。
• 通过 ξ/L 方法和 χ 缩放进行有限尺寸标度，以提取临界温度和临界指数。
• 定义手性序参量及其 susceptibilities，以探测手性玻璃序并将其与自旋玻璃序区分开。
• 与三维爱德华-安德森赫令伯格自旋玻璃模型的结果进行比较，以验证热力学相变的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 在尖晶石晶格上的经典自旋液体中，微弱的随机反铁磁交换无序是否能诱导出有限温度的自旋玻璃相？
• RQ2 在弱无序存在下，自旋玻璃转变的临界温度是多少？
• RQ3 该转变的临界指数是否与三维爱德华-安德森赫令伯格自旋玻璃模型的指数一致？
• RQ4 Y₂Mo₂O₇中的自旋玻璃态是否能通过预存在的经典自旋液体中微弱无序来解释？
• RQ5 所观测到的玻璃态行为是否由有效强无序驱动，尽管初始耦合强度很弱？

主要发现

• 该模型表现出有限温度自旋玻璃转变，使用 ξ/L 缩放得到的临界温度为 T_SG ≈ 0.0157 J₀，与热力学相变一致。
• 自旋玻璃 susceptibility 缩放得到 T_SG ≈ 0.0126 J₀，临界指数 ν_SG ≈ 1.024，表明为连续转变。
• 手性玻璃转变温度 T_CG1 ≈ 0.0134 J₀ 和 T_CG2 ≈ 0.0139 J₀ 与自旋玻璃转变一致，提示两种转变可能共现。
• 临界指数 ν_SG ≈ 1.024 和 η_SG ≈ -0.292 与三维爱德华-安德森赫令伯格自旋玻璃模型的指数高度一致。
• 手性 susceptibility 缩放得到 η_CG1 ≈ 0.621 和 η_CG2 ≈ 0.698，进一步支持稳定玻璃相的存在。
• 结果提供了有力的数值证据，表明微弱无序可在经典自旋液体中诱导出热力学自旋玻璃相，解决了Y₂Mo₂O₇体系中长期存在的模糊性问题。