清華新聞網(wǎng)1月6日電 在強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子體系中，反鐵磁性(antiferromagnetism)通常被認(rèn)為與電子間的強(qiáng)庫(kù)侖排斥作用緊密相關(guān)，比如哈伯德模型描述的莫特絕緣體中的反鐵磁序；但電子和聲子的耦合在量子材料中普遍存在并能調(diào)制電子間有效的相互作用，比如電聲耦合產(chǎn)生的電子間的有效吸引相互作用是超導(dǎo)電性或電荷密度波的一個(gè)重要微觀(guān)機(jī)制。然而，迄今為止尚沒(méi)有研究表明反鐵磁序可以由電子和聲子的耦合直接產(chǎn)生。近年來(lái)，越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)和理論研究表明電聲子耦合對(duì)理解強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料中的高溫超導(dǎo)等物理現(xiàn)象也十分重要，而后者常常與相關(guān)的量子材料在未摻雜時(shí)的反鐵磁序有關(guān)，因此，探尋反鐵磁序與電聲子耦合的內(nèi)在聯(lián)系具有重要的意義。
近日，清華大學(xué)高等研究院教授姚宏與高等研究院博士生蔡璕、中國(guó)科學(xué)院物理研究所特聘研究員李自翔發(fā)文揭示了一種由電聲子耦合誘導(dǎo)的反鐵磁序的微觀(guān)機(jī)制。他們采用大規(guī)模無(wú)符號(hào)問(wèn)題的量子蒙特卡洛方法研究了一種典型的電聲子模型，即二維的Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型，并得到了其在半滿(mǎn)填充時(shí)的基態(tài)相圖，如圖a所示。他們的研究清晰地表明，電聲子耦合在相當(dāng)大的電聲耦合強(qiáng)度范圍內(nèi)可以誘導(dǎo)出反鐵磁序，這是首次計(jì)算發(fā)現(xiàn)電聲子耦合可以誘導(dǎo)反鐵磁序。
上述研究人員進(jìn)一步提出SSH型電聲子耦合產(chǎn)生反鐵磁序的理論機(jī)制，即SSH電聲相互作用在耦合較弱時(shí)產(chǎn)生反鐵磁序可以被理解為一個(gè)二階微擾過(guò)程：SSH型的聲子可以直接調(diào)制電子在近鄰格點(diǎn)之間的躍遷振幅，其二階微擾過(guò)程相當(dāng)于在近鄰格點(diǎn)之間產(chǎn)生有效的反鐵磁自旋交換作用，如圖b所示，這是電聲耦合誘導(dǎo)反鐵磁序的微觀(guān)機(jī)制。這個(gè)電聲耦合誘導(dǎo)反鐵磁序的機(jī)制與諸如哈伯德模型中電子庫(kù)侖排斥作用產(chǎn)生的反鐵磁序有定性上的不同，是一種全新的機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于研究高溫超導(dǎo)體等強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料中電子關(guān)聯(lián)與電聲耦合之間復(fù)雜的相互影響提供了一種新的啟示。
電聲子模型基態(tài)相圖（a） 有效的反鐵磁自旋交換作用（b）
該研究成果以“蘇-施里弗-希格電聲子耦合誘導(dǎo)的反鐵磁序：量子蒙特卡洛研究”（Antiferromagnetism Induced by Bond Su-Schrieffer-HeegerElectron-Phonon Coupling: A Quantum Monte Carlo Study）為題，2021年12月10日發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。論文的通訊作者為清華大學(xué)高等研究院教授姚宏，第一作者和第二作者分別為姚宏指導(dǎo)的博士生蔡璕（2021年博士畢業(yè)，現(xiàn)為中科院物理所博士后）和中科院物理所特聘研究員李自翔。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金、北京市科委和美國(guó)戈登和貝蒂摩爾基金等支持。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.247203
供稿：高等研究院
編輯：李華山
審核：呂婷
