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[转载]【研究进展】中山大学姚道新课题组 | 键无序Haldane链的动力学性质

已有 652 次阅读 2022-2-25 15:18 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

RESEARCH ARTICLE 

Dynamical properties of the Haldane chain with bond disorder

Jing-Kai Fang1,2, Jun-Han Huang1,2, Han-Qing Wu1,2,*, Dao-Xin Yao1,2,*

Frontiers of Physics 17(3), 33503 (2022)


1 Center for Neutron Science and Technology, School of Physics, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China
2 State Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Technologies, School of Physics, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China 


解读视频:
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUxODkxNjE1NQ==&mid=2247485650&idx=1&sn=41f96e922e2c1ef9aece44bd204b9218&chksm=f980d986cef7509016d168eaabaa52849fd468a15ee6391a19733abf1ac02e415eeb2bd89549&token=1193567545&lang=zh_CN#rd


键无序Haldane链的动力学性质

 

无序量子自旋系统非常的复杂和多样,它拥有各种有趣的物理现象,例如自旋玻璃、格里菲斯相、随机单重态(RS)相、多体局域化和各种新的量子临界性质。从实验的角度来看,外在的无序使得我们很难提取某些量子相的内在低能特征,比如量子自旋液体相。因此对无序效应进行数值研究,尤其是对高自旋系统的无序效应进行数值研究,仍然是一项具有挑战性和重要意义的任务。
 
对于自旋为1/2的反铁磁海森堡链,无论多小的无序都会使系统进入完全不同的随机自旋单态相。MaDasguptaHuFisher引入了强无序重整化群(SDRG)方法来求解S=1/2随机反铁磁海森堡链。并在强无序条件下中取得了巨大成功。
 
然而,对于自旋为1的反铁磁海森堡链,或者Haldane链,它与自旋为1/2的情况非常不同。弱无序下系统仍保持Haldane相。因为它是有能隙的,并且在干净或者弱无序极限下存在弦序(string order),这使得它对弱无序具有抗性。随着无序强度的增加,系统最终达到Haldane—RS临界点,并进入自旋-1 RS相。
 
以往对随机自旋-1链的数值研究主要集中在基态性质上。在本论文中,作者主要研究这一系统的动力学性质。利用Lanczos精确对角化和量子蒙特卡罗方法,结合随机解析延拓,作者研究了不同键无序强度的S=1反铁磁海森堡链的动力学性质;并使用幂律分布的随机交换耦合来模拟键无序效应。他们计算了不同无序强度下的动力学自旋结构因子S(qω)。每种无序强度都是由5000个不同随机构型的平均值计算得出的。
 
在弱无序条件下,动力学结构因子表现的和干净的Haldane很相似。但是作者发现在单磁子模下还有一个额外的低能激发。随着无序度的增强,低能峰变宽并向零能方向移动,其谱权重也变得越来越强。同时,多磁子连续体逐渐接近显著的单磁子峰,并在q处合并成一个宽的连续体。当无序强度δ0.5,平均Haldane能隙闭合,系统进入到无能隙Haldane相,越来越多的低能激发开始出现。单磁子模下的低能激发在ω=0处没法继续降低,这时候零能峰的强度就开始上升。在临界无序强度δ1之后,系统转变为随机单态相,动力学自旋结构因子在ω=0处有一个明显的尖峰,并且在ω>0处形成一整个宽的连续谱。
 
为了进一步了解动态谱的行为,作者分析了无序自旋的分布,并通过数值确定了三种自旋域,它们的边界分别是等效的自旋1/2量子或自旋1的格点。他们计算了δ=0.1键无序下的最近邻自旋关联,根据数据发现,由于相互作用较弱,一些最近邻自旋关联偏离了平均值。这些由附近两个S=1/2量子形成的弱单重态更容易被激发成三重态,这有助于在单磁子模下产生新的低能激发。
 
随着无序性的增强,较弱的最近邻相互作用的数量不断增加,且这些相互作用的强度变得越来越弱。因此,这些弱键更容易被激发(也就是说这种激发将不断接近ω=0),同时它们的谱权重也会增强。
 
随着无序强度的增强,整个链被分为更小的自旋域,单重态二聚体的占比变得更多,同时在两个单重态二聚体的中间孤立的S1自旋的比率也不断增加。
 
由于量子涨落,这些未配对自旋能以很低的能量形成弱耦合的长程单态。因此,打破这些单重态只需要非常低的能量。这些激发贡献了在强无序时接近零能的激发谱。
 
孤立自旋和单重态二聚体的比率随着无序强度的增强而增高。作者发现,在δ=0.5左右,孤立自旋的比率显著增加,这与平均Haldane能隙的闭合和零能峰的上升相对应。在δ=1左右时,单重态二聚体的比率不随系统大小而变化,这表明系统处于单重态二聚体占主导地位的RS相。
 
总之,作者使用数值方法研究了随机Haldane链的动力学性质。为了理解理论假设和动态谱的数值结果,作者还研究了自旋构型和自旋关联函数的统计分布。对于更高自旋的情况,如S=3/2,这仍然是一个非常有趣的话题。这时强RS相和干净相之间会存在更多的相。非常值得在未来使用无偏数值方法去探讨它们的动力学性质。


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论文原文链接:

https://journal.hep.com.cn/fop/EN/10.1007/s11467-‍021‍-1124-3


pdf下载:

‍https://journal.hep.com.cn/fop/EN/pdf/10.1007/s11467-021-1124-3‍ 



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姚道新,中山大学物理学院教授,博士生导师。1994年于浙江大学物理系获学士学位,1998年于浙江大学物理系获理论物理硕士学位。2007年于美国波士顿大学物理系获博士学位。之后于美国普渡大学、田纳西大学和橡树岭国家实验室从事博士后研究。2009年回国工作,担任中山大学物理学院教授,同时为光电材料与技术国家重点实验室、中子科学与技术中心固定研究人员。主要研究领域为关联电子体系,包括超导体、量子磁性、拓扑物理、计算物理等。在Nature Phys.、Nature Commun.、Phys. Rev. Lett.等国际著名物理学刊物上发表学术论文120余篇。




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