Научная статья на тему 'Спиральное магнитное упорядочение в модели Хаббарда для ОЦК решетки'

Спиральное магнитное упорядочение в модели Хаббарда для ОЦК решетки Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
89
11
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук
Ключевые слова
МЕТАЛЛЫ / МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ / МОДЕЛЬ ХАББАРДА / СПИРАЛЬНАЯ СПИНОВАЯ СТРУКТУРА / METALS / MAGNETIC MOMENT / HUBBARD MODEL / SPIN-SPIRAL STRUCTURE

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Тимиргазин Марат Аликович, Гильмутдинов Виталий Фаатович

Рассматривается спиральное магнитное упорядочение в рамках модели Хаббарда в приближении среднего поля для ОЦК решетки. Рассчитана магнитная фазовая диаграмма модели. Показано, что спиральное состояние являются основным магнитным состоянием в широком диапазоне параметров модели.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Тимиргазин Марат Аликович, Гильмутдинов Виталий Фаатович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

SPIRAL MAGNETIC ORDER IN THE HUBBARD MODEL FOR BCC LATTICE

The spiral magnetic order in bcc lattice is considered within the Hubbard model in the mean-field approximation. The magnetic phase diagram of the model is calculated. The spiral state is shown to be the ground magnetic state in a wide range of parameters of the model.

Текст научной работы на тему «Спиральное магнитное упорядочение в модели Хаббарда для ОЦК решетки»

УДК 538.955:537.622

СПИРАЛЬНОЕ МАГНИТНОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ В МОДЕЛИ ХАББАРДА ДЛЯ ОЦК РЕШЕТКИ

ТИМИРГАЗИН М.А., *ГИЛЬМУТДИНОВ В.Ф.

Физико-технический институт УрО РАН, 426000, г. Ижевск, ул. Кирова, 132 *Удмуртский государственный университет, 426039, г.Ижевск, ул.Университетская, 1

АННОТАЦИЯ. Рассматривается спиральное магнитное упорядочение в рамках модели Хаббарда в приближении среднего поля для ОЦК решетки. Рассчитана магнитная фазовая диаграмма модели. Показано, что спиральное состояние являются основным магнитным состоянием в широком диапазоне параметров модели.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: металлы, магнитный момент, модель Хаббарда, спиральная спиновая структура. ВВЕДЕНИЕ

Магнетизм 3^-переходных металлов и сплавов на их основе остается одним из наиболее запутанных и непростых физических явлений. Это связано со сложным характером взаимодействия электронов, которые в таких материалах проявляют как коллективизированную, так и локализованную природу.

Для описания свойств двумерных и трехмерных систем взаимодействующих электронов традиционно используется модель Хаббарда. Обладая относительной простотой, эта модель позволяет охватить широкий диапазон сложных явлений, возникающих при сильном электрон-электронном взаимодействии, таких как ферро- и антиферромагнитное упорядочение и сверхпроводимость. Удивительно, но, несмотря на то, что модель Хаббарда изучается в течение длительного времени, ее магнитная фазовая диаграмма до сих пор не построена полностью даже в рамках приближения среднего поля. Обычно рассматривается конкуренция только коллинеарных фаз: ферромагнитной и антиферромагнитной. Однако, на практике наблюдаются также различные неколлинеарные структуры, период которых несоизмерим с постоянной решетки. В частности, в у-фазе Бе [1], а также таких сплавах, как Си-Мп [2], Pd-Mn [3], Бе-А1 [4], реализуется спиральное спиновое (СС) упорядочение. Условия формирования таких магнитных структур в трехмерных системах на данный момент не изучены в рамках модели Хаббарда.

Предыдущие исследования модели Хаббарда, проведенные для плоской квадратной решетки показывают, что СС состояние является энергетически выгодным в значительном диапазоне параметров модели [5], что согласуется с экспериментальными данными по магнитной структуре квазидвумерных сверхпроводящих соединений на основе купратов [6, 7]. Можно предположить, что данная закономерность сохранится и для трехмерных кристаллических решеток. Целью данной работы является построение магнитной фазовой диаграммы модели Хаббарда для объемно-центрированной кубической (ОЦК) решетки, которую, в частности, имеют такие магнитные 3^-металлы, как Бе и Сг.

МОДЕЛЬ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Модель Хаббарда была разработана для описания проводящих магнетиков, в которых магнитные свойства определяются электронами проводимости. В первую очередь это 3й -переходные металлы. Основным предположением является то, что электроны лишь одного энергетического уровня могут переходить с одного узла на другой. Считается также, что кулоновское взаимодействие между электронами, находящимися на разных узлах, пренебрежимо мало по сравнению с взаимодействием одноузельных электронов.

Гамильтониан модели имеет вид:

Н = — У 111'С О Г0 + и Тл ^ П| , (1)

N .Ы .Ъ0 1 ,0 N 1,1 1,^’ 4 '

' ,о 1

где с+0 и е^а - операторы рождения и уничтожения электрона на узле ] со спином о;

^ 1 ' - матричный элемент кинетической энергии переноса электрона с узла на узел;

и - параметр кулоновского отталкивания; N - число узлов в системе; п. 0 - оператор числа

электронов на узле 1 со спином о : п. 0 = с!0с. 0.

Первое слагаемое в (1) представляет собой кинетическую энергию невзаимодействующих электронов, а второе - энергию кулоновского отталкивания одноузельных электронов. В предположении, что перескоки электронов могут происходить только между соседними узлами, гамильтониан можно переписать в следующей форме:

Н = — Уп, + — У 1е+0с 1+8о - — У(5+5- 5-5 +), (2)

2N “ ; N £0 10 1+8,0 2N ^ 1 1 1 1 ’

где 5 + = 51х + /5?' = 5- = 5* - /5 1 = с+, с lt; £ - вектора, соединяющие узел 1 с его

1 1 1 1 I <1^ 111 <1^ 1 I

ближайшими соседями. Здесь и далее для удобства записи постоянная решетки, фактор Ланде и магнетон Бора принимается равным единице.

Введём обозначение: (...) = <0 |... | 0) - квантовомеханическое усреднение по основному состоянию гамильтониана. Пренебрегая зарядовыми флуктуациями, считаем зарядовую плотность однородной: п = <п ) .

Представим гамильтониан в виде суммы:

Н = Н + Нш, (3)

ип ^ +

Н=Ц- +1 tjj - uij;+<S;>S;+< s;>< s;>)

H„,=и z((S;-< st>)( sj--< s;>)+( s;-< s;>)(S;-< j)) ■

j

Решение задачи с полным гамильтонианом Н (3) является чрезвычайно трудновыполнимым - для подобных гамильтонианов получено немного математически точных результатов. В данной работе рассматривается одно из наиболее простых приближений - приближение среднего поля, которое заключается в пренебрежении Hint.

Мы считаем,что магнитная структура имеет вид спирали:

< Sj > = M cos QRj,

< Sj > = M sin QRj.

Производя преобразования Фурье, перейдем к следующему представлению гамильтониана Н0:

Н0 U^M + 2 J + LlSkCk,TCk,t + ^ +QCk+Q^Ck+Q,^

— UM^L{Cis_,^Ck+q,^ + Ck+Q,^Ck,T }

N k

где

*k = t ye ",

S

1 ^ -ikR і

1,ce

Zcj,c^"j

c + = 1 yc + e ikRJ

Ckс ГТ7 yCJ,ce , (5)

VN j

Sk = N z; e-'“j = -— Zw, s k- = N Z; e'kRj = N Zc*.,k,j Ck.,.

Гамильтониан H 0 можно диагонализовать в представлении операторов:

Ak = ck,t cos^k +Ck+Q,^ sin^k,

Bk+Q = Ck,, sin^k - Ck+Q,^ cos^

(6)

2UM

tan 2dk =-------------------------------------------------------. (7)

Sk+Q Sk

Гамильтониан, таким образом, принимает диагональный вид:

H„ = U [M2 + 2'+N yyjst'At* At + StV+<A+Q }

где

W fe)2+(mu )2 sign(£k W )2+(m—)2

(8)

< = < + ^п(^к И 1£к 1 +

= £+ - sign(£,: к/(^т)2 +

„+ = 8к + £к+о - = 8к - £к+о

к 2 , к 2 .

Для определения основного магнитного состояния необходимо при фиксированных параметрах и/^, О решить систему из двух самосогласованных уравнений для магнитного момента и числа электронов:

SF

n = — У (п,Л + n,B

1 F

M = 2^ У (nk - nk+Q ) sin 20k ,

где числа заполнения nk = ^Ak Aky, nk+Q = ^B1*+q Bk+Qj подчиняются распределению Ферми-Дирака.

Основное состояние определяется минимизацией полной энергии системы

2 1 Sp

Ess (Q) = < Н > = U (M2 + -) + - £(stA< +Sif,Q -% ) (10)

2 N k

по всем возможным векторам Q .

Расчеты проводились для ОЦК-решетки, для которой закон дисперсии имеет вид:

о, кх ky k

sk = -8t cos— cos cos——. k 2 2 2

Трехмерные интегралы по зоне Бриллюэна вычислялись на адаптивной сетке с

первоначальным разбиением 40*40*40 точек в k -пространстве. Для интегрирования

использовался метод тетраэдров [8, 9].

Ck с

Рис. 1. Фазовая диаграмма СС состояния для ОЦК решетки

Полученные результаты представлены на рис. 1. Фазовая диаграмма включает в себя области, соответствующие парамагнитной и СС фазам. Граница раздела этих фаз описывается обобщенным критерием Стонера, который можно получить, перейдя в (9) к пределу М ^ 0 :

р пА — пв

п' пк+Q

и м N

Область СС состояний на диаграмме разделена на подобласти, соответствующие различным направлениям волнового вектора спирали: (2,2,2), (2,—п) , (2,2,—) Кроме того, на диаграмме выделены области, в которых волновой вектор остается неизменным:

(—, —, —), (—, — ,п). Также на диаграмме представлены области коллинеарных магнитных

2 2 2 2 2

состояний, которые являются частными случаями вышеперечисленных СС фаз: ферромагнитная (ФМ) (0,0,0) и антиферромагнитная (АФМ) (— — —). АФМ состояние реализуется лишь при половинном заполнении.

При увеличении U/t наблюдается тенденция к расширению области ФМ состояния. Этот результат согласуется с теоремой Нагаока [10], согласно которой в ОЦК решетке ФМ состояние является основным для любых значений п при U/t ^ да .

, п п п.

Рис. 2. Магнитная структура

Наиболее интересным результатом является обширная область диаграммы, в которой реализуется неколлинеарное

ппп состояние (—, — ,—) (рис. 2).

2 2 2

Существование подобных магнитных структур обычно связывается со сложными взаимодействиями типа взаимодействия Дзялошинского-Мория.

Полученные нами результаты свидетельствуют о том, что структуры типа (П,П,ПП) и

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

другие неколлинеарные магнитные упорядочения могут при определенных условиях стабилизироваться в системах переходных 3^-металлов при наличии лишь тех взаимодействий, которые включает в себя приближение среднего поля.

Для описания реальных систем и объяснения доминирования в них коллинеарных магнитных структур, а не спиральных, как следовало бы ожидать, исходя из представленных расчетов, требуется, по всей видимости, выйти за рамки сделанных в работе приближений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Tsunoda Y. Spin-density wave in cubic y-Fe and y-Fei00-xCox precipitates in Cu // Journal of Physics: Condensed Matter. 1989. V. 1, № 51. P. 10427-10438.

2. Lamelas F.J., Werner S.A., Shapiro S.M. et al. Intrinsic spin-density-wave magnetism in Cu-Mn alloys // Phys. Rev. B. 1995. V. 51, № 1. P. 621-624.

3. Tsunoda Y., Hiruma N., Robertson J.L. et al. Spin-density-wave clusters in PdMn spin-glass alloys // Phys. Rev. B. 1997. V. 56, № 17. P. 11051-11055.

4. Noakes D.R., Arrott A.S., Belk M.G. et al. Incommensurate spin density waves in iron aluminides // Phys. Rev. Lett. 2003. V. 91, № 21. P. 217201(1) - 217201(4).

5. Igoshev P.A., Timirgazin M.A., Katanin A.A. et al. Incommensurate magnetic order and phase separation in the two-dimensional Hubbard model with nearest-and next-nearest-neighbor hopping // Phys. Rev. B. 2010. V. 81. P. 094407.

6. Matsuda M., Fujita M., Yamada K. et al. Electronic phase separation in lightly doped La2-xSrxCuO4 // Phys. Rev. B. 2002. V. 65. P. 134515.

7. Fujita M., Yamada K., Hiraka H. et al. Static magnetic correlations near the insulating-superconducting phase boundary in La2-xSrxCuO4 // Phys. Rev. B. 2002. V. 65. P. 064505.

8. Lehmann G., Taut M. On the numerical calculation of the density of states and related properties // Phys. Stat. Sol. B. 1972. V. 54. P. 469-477.

9. Lehmann G., Taut M. Addendum to the paper [8] // Phys. Stat. Sol. B. 1973. V. 57. P. 815.

10. Nagaoka Y. Ferromagnetism in a Narrow, Almost Half-Filled s Band // Phys. Rev. 1966. V. 147. P. 392.

SPIRAL MAGNETIC ORDER IN THE HUBBARD MODEL FOR BCC LATTICE

Timirgazin M.A., *Gilmutdinov V.F.

Physical-Technical Institute, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia *Udmurt State University, Izhevsk, Russia

SUMMARY. The spiral magnetic order in bcc lattice is considered within the Hubbard model in the mean-field approximation. The magnetic phase diagram of the model is calculated. The spiral state is shown to be the ground magnetic state in a wide range of parameters of the model.

KEYWORDS: metals, magnetic moment, Hubbard model, spin-spiral structure.

Тимиргазин Марат Аликович, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник отдела теоретической физики ФТИ УрО РАН, тел. 21-89-88, e-mail: [email protected]

Гильмутдинов Виталий Фаатович, студент УдГУ, тел. (3412)50-53-27, e-mail: [email protected]

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.