【摘要】：近年來,對磁阻挫系統(tǒng)的研究已成為凝聚態(tài)領(lǐng)域的研究熱點,這是因為這些系統(tǒng)中的阻挫相互作用會造成很多新奇的量子相,比如量子自旋液體。量子自旋液體最早是由安德森提出,是一種高度糾纏的磁無序量子態(tài)。作為量子自旋液體的重要分支,Kitaev自旋液體起始于Kitaev提出的定義在蜂窩格子上嚴格可解的自旋1/2Kitaev模型。此模型具有依賴于化學鍵方向的自旋相互作用,從而造成強量子阻挫,進而誘導形成22自旋液體基態(tài)。最近,α-RuCl3作為一種最有可能實現(xiàn)Kitaev自旋液體的材料引起了廣泛的關(guān)注。它是一種由晶體場、自旋軌道耦合以及庫倫作用相互合作導致的Mott絕緣體材料,在其中可以產(chǎn)生實現(xiàn)Kitaev自旋液體所需要的交換相互作用。因此研究α-RuCl3的低能物理對量子自旋液體的研究具有非常重要意義。另一方面,分數(shù)化激發(fā)是量子自旋液體的一重要特性,而且對于自旋阻挫系統(tǒng)中的磁有序態(tài),最近實驗發(fā)現(xiàn)在高能部分也可能存在分數(shù)化激發(fā)。因此,從理論上研究自旋阻挫系統(tǒng)中的自旋激發(fā)譜不僅對于尋找量子自旋液體而且對于全面理解磁阻挫系統(tǒng)的自旋動力學都具有重要的意義。本論文在第一部分首先綜述了不同機制誘導的各種絕緣體,接著回顧了由阻挫和量子漲落引起的各種自旋液體,最后介紹了相關(guān)實驗測量手段。在第二部分,本文詳細介紹了我們的研究方法和理論模型。在第三、四部分,本文分別針對實際材料α-RuCl3和正方格子反鐵磁J1-J2海森堡模型進行了自旋動力學研究:1.我們將從微觀電子模型出發(fā)推導出α-RuCl3低能有效交換模型,進而利用線性自旋波理論方法研究此材料的自旋波激發(fā)。磁性離子Ru3+中的價電子具有4d5構(gòu)型,其中d軌道在八面體型晶體場下劈裂形成了eg和t2g軌道。然后在自旋軌道耦合作用下低能的t2g5態(tài)劈裂為低能的有效自旋1/2的Kramers對和高能四重態(tài)。在以前研究中有效交換模型都是從t2g軌道模型出發(fā)得到的,并沒有具體考慮eg軌道對低能行為的影響。最近實驗又發(fā)現(xiàn)eg和t2g軌道間能隙跟庫倫相互作用能具有相同的數(shù)量級大小,因此我們將包含所有d軌道的五軌道模型作為出發(fā)點。首先,我們從基于第一性原理方法計算的能帶結(jié)構(gòu),得到五軌道緊束縛模型。然后從微擾理論出發(fā),在強庫倫作用極限下我們通過將五軌道Hubbard模型投影到最低能的Kramers對上推導出了有效贗自旋為1/2的交換模型。經(jīng)分析有效交換作用,我們發(fā)現(xiàn)了有效交換模型能進一步簡化為K-Γ模型,其中包含鐵磁型的最近鄰Kitaev相互作用(K)和最近鄰的非對角交換相互作用項(r)。最后,與中子散射實驗組合作,利用線性自旋波理論,我們發(fā)現(xiàn)由K-r模型計算的自旋激發(fā)譜能很好描述非彈性中子散射測量的激發(fā)譜,從而確認在α-RuCl3中存在較強的Kitaev磁交換作用。2.利用集團微擾方法和變分蒙特卡洛方法,我們研究了定義在正方格子上自旋為1/2的反鐵磁型J1-J2海森堡模型的自旋動力學。隨著J2增大,自旋阻挫先增強再減弱,從而導致基態(tài)從尼爾反鐵磁相進入量子無序態(tài)最后進入的條紋磁序相。在尼爾反鐵磁相(J2/J10.4),我們發(fā)現(xiàn)磁振子激發(fā)的高能區(qū)的(π,0)點附近存在和中子散射實驗結(jié)果一致的連續(xù)譜。在強阻挫J2=0.5J1附近,全部自旋激發(fā)都變成非常寬的連續(xù)譜,而且與反鐵磁基態(tài)密切相關(guān)的Goldstone激發(fā)模式也消失了,表明系統(tǒng)進入了一個磁無序的量子相。在條紋磁序相(J2/J10.6),磁振子激發(fā)的高能區(qū)也存在和尼爾相類似的連續(xù)譜,但是連續(xù)譜出現(xiàn)在(π/2,π/2)點附近。我們進一步借助變分蒙特卡洛和平均場方法的分析確定了中間磁無序的量子相是一個Z2量子自旋液體,而且兩個磁有序相中自旋激發(fā)的高能連續(xù)譜來自于自旋激發(fā)的分數(shù)化,即自旋子激發(fā)的解禁閉,并且我們解釋了兩個磁有序相的分數(shù)化激發(fā)會出現(xiàn)在不同的動量點。
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O469
【圖文】：

周期函數(shù)ｉｉｆｃ（ｒ），即如（ｒ）邋＝邋ｔｉｆｃ（ｒ）ｅｉｆｃＴ？。當波矢ｆｃ與ｆｃ＇相差任意倒格矢時，逡逑布洛赫波函數(shù)與燦對應(yīng)于平移算符的同一個本征值，因此我們可以把波矢逡逑限制在第一布里淵區(qū)。考慮一維周期勢情況，如圖１．１所示。首先不考慮周期勢逡逑時，能量色散關(guān)系如圖１．２（ａ）所示。當加入周期勢后，波矢為ｆｃ的所有自由電子逡逑平面波函數(shù)通過周期勢能耦合在一起，從而導致每一支能帶間打開一個能隙，逡逑如圖１．２（ｂ）所示。在零溫時，最高被電子填充的能帶如果被填滿，那么就形成逡逑了能帶絕緣體。如果這個能帶是被部分填充，那么在能帶論框架下就形成了金逡逑屬。換句話說，費米能級在能隙中就是能帶絕緣體，在能帶中就是金屬。如果逡逑被填滿的最高帶（價帶）與最低空帶（導帶）間的能隙很小，這樣的絕緣體也逡逑可以稱為半導體［６］，這是因為在價帶的電子能通過熱激發(fā)到空帶［７－１０］。逡逑上面是從近自由電子出發(fā)

型＃邋＝邐（凡．丑，，）《，＞力．，。其中系數(shù)（只，．隊）是躍遷系數(shù)，代表泔子逡逑數(shù)為／的電子從格點＾跳躍到格點／變成Ｍ了數(shù)為ｊ的難易程度。圖１．３是緊束縛逡逑能帶形成過程。當原Ｔ間距從無窮遠（原子極限）慢慢減小時，Ｖ個孤立原子逡逑的７原子能級從２／Ｖ重簡并慢慢劈裂形成緊束縛能帶。逡逑１．２邋Ｍｏｔｔ絕緣體逡逑１９３７年ｄｅＢｏｅｒ和Ｖｅｒｗｅｙ在布里斯托爾（Ｂｒｉｓｔｏｌ）邋—次會議上首次提出了能逡逑帶理論不能解釋一些絕緣體。他們指出在過渡金屬氧化物ＮｉＯ中每個Ｎｉ２＋離了？逡逑外層八個電子不能占滿ｄ軌道形成的能帶，根據(jù)能帶理論它是金屬，然而實驗逡逑上觀測到是絕緣體［１４ｊ。與此同時Ｍｏｔｔ與Ｐｅｉｅｒｌｓ認為電子關(guān)聯(lián)作用噸該足這種絕逡逑緣體的起因［１５Ｊ。逡逑－３－逡逑

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 謝云龍;劉俊明;;設(shè)計阻挫[J];物理;2016年07期

2 張廷憲;;耦合極限環(huán)振子同步的隨機阻挫效應(yīng)[J];曲靖師范學院學報;2006年03期

3 衛(wèi)海燕;陳志達;王凡;;多核過渡金屬配合物自旋阻挫的理論研究[J];分子科學學報;2005年06期

4 黃海林;;阻挫自旋梯子的糾纏與量子相變[J];湖北大學學報(自然科學版);2011年03期

5 潘麗華;胡冰;劉擁軍;;含阻挫的不對稱鐵磁梯子自旋模型的量子相圖[J];揚州大學學報(自然科學版);2014年01期

6 劉曉東;陶萬軍;鄭旭光;

本文編號：2724949