来源:Frontiers of Physics 发布时间:2022/1/4 11:17:10
选择字号:
FOP | 前沿研究:中山大学姚道新课题组 ——键无序Haldane链的动力学性质

论文标题:Dynamical properties of the Haldane chain with bond disorder (键无序Haldane链的动力学性质)

期刊:Frontiers of Physics

作者:Jing-Kai Fang, Jun-Han Huang, Han-Qing Wu, Dao-Xin Yao

发表时间: 23 Nov 2021

DOI:10.1007/s11467-021-1124-3

微信链接:点击此处阅读微信文章

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, China2 State Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Technologies, School of Physics, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China

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。Ma、Dasgupta、Hu和Fisher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(q,ω)。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=π处合并成一个宽的连续体。当无序强度δ∽0.5,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δ∽1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S=1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。

摘要

By using Lanczos exact diagonalization and quantum Monte Carlo combined with stochastic analytic continuation, we study the dynamical properties of the S = 1 antiferromagnetic Heisenberg chain with different strengths of bond disorder. In the weak disorder region, we find weakly coupled bonds which can induce additional low-energy excitation below the one-magnon mode. As the disorder increases, the average Haldane gap closes at δ~ 0.5 with more and more low-energy excitations coming out. After the critical disorder strength δc ~ 1, the system reaches a random-singlet phase with prominent sharp peak at ω = 0 and broad continuum at ω > 0 of the dynamic spin structure factor. In addition, we analyze the distribution of random spin domains and numerically find three kinds of domains hosting effective spin-1/2 quanta or spin-1 sites in between. These “spins” can form the weakly coupled longrange singlets due to quantum fluctuation which contribute to the sharp peak at ω = 0.

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

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。

Frontiers of Physics (FOP)期刊简介

Frontiers of Physics (FOP,IF 3.563)是由教育部发起、高教社出版、Springer海外发行的Frontiers系列英文学术期刊之一,旨在报道国际物理学领域的最新成果和研究进展,主要发表Topical Review、Review、Research Article、View & Perspective、Research Highlight,也委托专家组织特定前沿主题的专题。现任总主编:赵光达院士;执行主编:李定平教授;主编:龙桂鲁教授(量子计算与量子信息)、张卫平教授(AMO)、王楠林教授(凝聚态与材料物理)、李海波教授(核物理/粒子物理/天体物理与宇宙学)。期刊已被SCI, JCR, ADS, SCOPUS, INSPEC, Google Scholar, CSCI, CSCD等收录。2013-2018入选中国科技期刊提升计划资助项目,2019年入选中国科技期刊卓越行动计划资助项目。

《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》(Frontiers)系列英文学术期刊,于2006年正式创刊,以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题,是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群,其中13种被SCI收录,其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录,具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式,保证文章以最快速度发表。

中国学术前沿期刊网

http://journal.hep.com.cn

 
 
 
特别声明:本文转载仅仅是出于传播信息的需要,并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性;如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用,须保留本网站注明的“来源”,并自负版权等法律责任;作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜,请与我们接洽。
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
相关新闻 相关论文

图片新闻
全球首条稀土磁浮列车如何“悬挂飞驰” 超过每周饮酒建议量让染色体变短
合肥科学岛稳态强磁场刷新世界纪录 北极变暖速度近4倍于世界其他地方
>>更多
 
一周新闻排行
 
编辑部推荐博文