Особенности флуктуационного нарушения магнитного порядка в системах с сильными электронными корреляциями

Физический факультетМосковского государственного университета им. М.В. ЛомоносоваНа правах рукописиАнтипов Андрей ЕвгеньевичОсобенности флуктуационного нарушениямагнитного порядка в системах с сильнымиэлектронными корреляциями01.04.09 – Физика низких температурАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2011Работа выполнена на кафедре квантовой электроники физическогофакультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,доцент Рубцов Алексей Николаевичкандидат физико-математических наук,доцент Мазуренко Владимир Владими­ровичдоктор физико-математических наук,член-корреспондент РАН, заведующийсектором теории твердого тела АрсеевПетр ИваровичИнститут физики высоких давленийРАНОфициальные оппоненты:Ведущая организация:Защита состоится « 20 » октября 2011 г.

в 16 часов на заседаниидиссертационного совета Д.501.001.70 при Московском государственном уни­верситете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, Москва, Ленин­ские горы, д. 1, стр. 35, конференц-зал центра коллективного пользованияфизического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В.

Ломоносова.Автореферат разослан «»2011 г.Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печа­тью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретарядиссертационного совета.Ученый секретарьдиссертационного совета Д. 501.001.70,доктор физико-математических наук,профессор2Плотников Г.C.Общая характеристика работыДиссертационная работа посвящена теоретическому исследованию осо­бенностей магнетизма систем с сильными электронными корреляциями в слу­чае наличия сильных флуктуаций спина и орбитального момента.

Под систе­мами с сильными корреляциями подразумеваются ансамбль многих частиц,свойства которого не могут быть описаны в рамках парадигмы элементар­ных возбуждений. Отсутствие явного малого параметра требует использо­вания численных теоретических методов, интерполирующих между режима­ми, доступными для аналитического исследования. В системах с сильнымиэлектронными корреляциями таким методом является динамическая теориясреднего поля[1].

Нелокальные корреляции электронов системы и многоорби­тальный характер их взаимодействия являются основной трудностью даннойтеории в настоящий момент. Эти два вопроса являются предметом исследо­вания данной работы.Коррелированные электронные системы обладают интересными свойства­ми элементарных возбуждений при низких температурах, связанных с кон­куренцией квантовой делокализации электронов на решетке и их локальнымкулоновским взаимодействием. Следствием является структурное многообра­зие рассматриваемых веществ, сложность их фазовых диаграмм. В природетакие вещества являются соединениями переходных металлов с неспаренны­ми валентными электронами в 3 и 4 оболочках (в отдельных случаях 5 ,сюда также можно отнести некоторые случаи -оболочек в органических ма­териалах).Для рассматриваемых систем характерен ряд наблюдаемых эффектов.Наиболее известным из них является высокотемпературная сверхпроводи­мость в купратах.

Большая часть современных магнетиков обладают силь­ными электронными корреляциями, поскольку наличие в них нескомпенсиро­ванного магнитного момента обусловлено неполным заполнением валентнойоболочки в переходных металлах. В этой связи уместно упомянуть системы“тяжелых фермионов” и Кондо-решетки, а также эффект гигантского магне­тосопротивления в множестве материалов, в том числе La Sr1− O3 [2].Теоретическое описание магнитных свойств систем с сильными электрон­ными корреляциями крайне затруднено. С одной стороны, использованиетрадиционных среднеполевых подходов, как, например, критерий Стонераприводит к существенной переоценке вероятности образования ферромагнит­3ного упорядочения.

Магнитные моменты в системах с сильными электрон­ными корреляциями не являются локализованными, поэтому модель Гейзен­берга для описания магнитного упорядочения на решетке часто оказываетсянеприменимой. С другой стороны, сложившаяся среднеполевая схема изуче­ния систем с сильными электронными корреляциями применима тогда, когданелокальные корреляции в системе пренебрежимо малы (собственно-энерге­тическая функция не зависит от квазиимпульса электрона), что существенноограничивает описание решеточного магнитного упорядочения. Кроме того,необходимость использования численных методов вплоть до недавнего вре­мени не давала возможности учитывать термовую структуру исследуемыхсистем, что в свою очередь приводило к невозможности описания таких эф­фектов, как орбитальное упорядочение в системе, а также служило источ­ником ошибок при реалистических расчетах различных соединений. В дан­ной работе применение метода дуальных фермионов [3], а также использова­ние разработанной многопроцессорной версии алгоритма квантового методаМонте-Карло в непрерывном времени [4] позволило исследовать указанныепроблемы.Цель диссертационной работы состояла в теоретическом исследова­нии особенностей нарушения магнитного порядка в сильнокоррелированныхэлектронных системах в случае наличия сильных спиновых флуктуаций, вы­званных фрустрацией решетки, и изменения характеристик моттовского фа­зового перехода из металлического в антиферромагнитное состояние при на­личии дополнительных орбитальных степеней свободы.Актуальность работы определяется сочетанием фундаментальностиисследованных в работе физических проблем, применением новейших мето­дов численного моделирования и использования теоретических моделей, ра­нее недоступных для исследования.Научная новизна результатов диссертации состоит в реализации рас­четной схемы метода дуальных фермионов для модели Хаббарда на треуголь­ной решетке, реализации многопроцессорной версии алгоритма метода кван­тового Монте-Карло в непрерывном времени для решения примесной моделиАндерсона (CT-QMC), изучения состояния спиновой жидкости в рамках се­мейства среднеполевых методов решения модели Хаббарда, расчета магнит­ной восприимчивости многоорбитальной модели Хаббарда, получения функ­ции Грина и спектральной функции для гамильтониана с полной матрицейкулоновского взаимодействия.4Практическая значимость Результаты, изложенные в диссертации,обладают предсказательной силой и могут быть использованы для количе­ственно точного моделирования экспериментально реализуемых систем - ок­сидов переходных металлов, оптических решеток, систем с тяжелыми ферми­онами, ВТСП-купратов итд.На защиту выносятся следующие основные результаты и по­ложения:∙ Модель Хаббарда при полузаполнении на треугольной решетке в конеч­ном интервале параметра / обладает фазой без дальнего магнитногопорядка - спиновой жидкостью.

Данная фаза характеризуется наличи­ем локализованного магнитного момента и обладает меньшей полнойэнергией, чем металлическое и антиферромагнитное состояния.∙ В формировании состояния спиновой жидкости важную роль играюткорреляции синглетного типа, которые могут быть описаны в рамкахметода дуальных фермионов.∙ Метод дуальных фермионов является чувствительным по отношениюк динамическим корреляциям в системе, в то время как статическоеупорядочение может быть эффективно описано в рамках динамическойтеории среднего поля.∙ Учет полной матрицы кулоновского взаимодействия приводит к изме­нению характеристик фазового перехода металл-изолятор в многоор­битальной модели Хаббарда: понижению температуры перехода призаданной величине кулоновского взаимодействия на каждом узле ре­шетки и увеличению критического при фиксированной температуре.Различие в температурах перехода становится более существенным придопировании системы электронами или дырками.∙ Различная степень вырождения основного состояния полного гамиль­тониана и гамильтониана с взаимодействием плотность-плотность при­водит к различию в характере металлических фаз: в первом случае вплотности состояний одночастичных возбуждений в двухорбитальноймодели Хаббарда при полузаполнении присутствует центральный «кон­довский» пик, во втором такого пика нет.Апробация работы происходила на следующих конференциях:51.