两腿XXZ自旋梯子模型的量子相变与量子临界现象

对于无限大尺寸两腿自旋1/2的XXZ自旋梯子模型,通过运用基于随机行走的张量网络(TN)算法数值模拟出基态波函数,首次尝试研究自旋梯子模型的约化保真度、普适序参量、纠缠熵等物理观测量,并系统研究基态保真度的三维挤点与二维分叉、约化保真度的分叉、局域序参量、普适序参量、纠缠熵和量子相变之间存在的关联关系.基于张量网络表示的算法在任意随机选择初始状态时,可以得到两腿XXZ量子自旋梯子系统简并的对称破缺基态波函数,该基态波函数是由于Z2对称破缺引起的.本文期望所提供的方法可为进一步研究凝聚态物质中热力学极限下的强关联电子量子晶格自旋梯子系统的量子相变和量子临界现象提供一种更有效的强大的工具.

基于张量网络算法的自旋梯子系统的弦序参量的研究

通过基于矩阵乘积态(MPS)的强关联电子量子自旋梯子格点系统的张量网络(TN)算法,摸索研究自旋梯子量子多体系统的弦序参量,探测系统的量子相变点,刻画系统的量子临界现象,获取系统的量子相图,这为我们提供了一个研究自旋梯子系统的量子多体物理性质强有力的工具和方法:在不知道系统是否缺乏Landau对称性破缺序或者系统是否存在相关的拓扑弦序的情况下,可以先得到系统的基态波函数,如果基态缺乏Landau对称性破缺序,或可以通过其它方式找出系统存在若干非局域的弦序参量,来完整地描述一些拓扑量子相变点,获得系统的量子相图,从而丰富和发展了传统的Landau对称性破缺的相变理论.

Z型自旋梯子模型中的自旋波

应用Jordan-Wigner变换和格林函数方法讨论了带有组错的Z型自旋梯子模型中的自旋波、子晶格磁矩、内能及热容.对进一步研究Z型自旋梯子模型的磁性及热力学性质有一定的意义.

在外磁场中两链自旋梯子模型的自旋波与比热

应用Jordan-Wigner变换和格林函数方法讨论了在外磁场中带有阻挫的两链自旋梯子模型的自旋波、子晶格磁矩、内能及比热,获得了比热与温度、外磁场的关系.结果显示:自旋波与波矢k成余弦关系,与外磁场成线性关系;当温度T趋近于0.5K和0.42K时,比热有明显的跃变.

具有四自旋交换作用的自旋梯子模型中二聚化相

利用玻色化方法和重整化群技术,研究了一个具有四自旋交换作用以及链间次近邻阻挫相互作用的自旋梯子模型的相图。在考虑了量子涨落效应以后,发现体系的相图变得非常复杂。除了存在所谓Haldane相和Rung-Singlet相以及它们之间的SD型二聚化(staggered dimerized)相之外,亦可能出现一个新的CD型二聚化(columnar dimerized)相。

伊辛自旋梯的磁化平台和热力学性质研究

利用传递矩阵方法严格求解了混自旋S=1和S=3/2组成的伊辛自旋梯,考察了系统的磁化过程及外磁场下各向异性对系统热力学性质的影响.发现系统最近邻为铁磁性交换作用,链间次近邻为反铁磁性作用时,系统的磁化强度在m=1/4和m=3/4处出现磁化平台现象,与量子模型中的磁化平台可能出现的位置一致.系统的磁比热和磁化率曲线中出现了新颖的双峰现象.

Al掺杂对自旋梯子化合物Sr_(14)Cu_(24)O_(41)电输运性质的影响

利用固相反应法制备了Al掺杂的Sr14(Cu1-xAlx)24O41(x=0,0.01,0.02,0.03)系列多晶样品。X射线衍射结果表明所有样品均为单相,Al掺杂使样品晶格常数a、b发生涨落,但使晶格常数cladder逐渐减小。X射线光电子能谱结果表明Al掺杂对体系内Sr、Cu、O离子价态不存在影响,并且Al离子以+3价的形式替代了Sr14Cu24O41体系内的Cu2+,不存在其他混合价态。电阻率测量结果表明所有样品均呈半导体性,Al掺杂使体系电阻率升高。进一步分析表明所有样品存在一渡越温度Tρ,Al掺杂使Tρ发生微弱涨落。在Tρ以上,自旋梯子中单个空穴热激活对体系电导存在贡献。在Tρ以下,自旋梯子中空穴的变程跳跃电导对体系电导存在贡献。实验数据拟合结果表明Al掺杂使体系内单个空穴热激活能Δ以及局域态势垒参数T0逐渐增大。

自旋梯中的量子失协

对存在循环相互作用的自旋梯耦合的两粒子的量子失协进行了讨论。对于双边耦合的情况,两耦合粒子的量子失协都是时间的周期函数,但是与时间间隔无关。通过讨论我们发现量子失协比量子纠缠更有利于量子信息的处理和量子计算。

阻挫自旋梯子的纠缠与量子相变

对于具有阻挫作用的反铁磁自旋梯子,采用多体格林函数方法并结合Jordan-Wigner变换,计算系统中近邻双格点的纠缠,分析纠缠的奇异性与量子相变之间关系.发现随着外磁场的变化,纠缠出现奇异即发生量子相变,但在量子相变点纠缠不一定出现奇异,这说明纠缠奇异与量子相变并非一一对应,此外纠缠平台与磁化平台一一对应.

Fe掺杂对自旋梯状化合物Sr_(14)(Cu_(1-y)Fe_y)_(24)O_(41)的结构和电输运性质的影响

采用常规的固相合成法分别制备了Fe3+掺杂和2/3Fe3++1/3Fe2+混合Fe离子掺杂的两组Sr14(Cu1-yFey)24O41系列样品.X射线衍射分析显示,当Fe3+离子的掺杂量y≤0.03以及2/3Fe3++1/3Fe2+混合Fe离子掺杂量y≤0.02时,样品呈较纯的单相,并且对于每组样品,随着掺杂离子含量的增加,样品的晶格常数a,b的值逐渐减小.电输运性质的测试分析表明,Fe3+掺杂系列样品中随Fe3+离子含量的增加,样品的电阻率单调减小,揭示了Cu2O3自旋梯子上的空穴载流子浓度增加.进一步分析显示在电阻与温度关系曲线上存在一个渡越温度Tρ,在Tρ上下Sr14(Cu1-yFey)24O41系统存在两种导电机理在Tρ以上,自旋梯子上单个空穴的热激发对电导有贡献;在Tρ以下,一维配对的局域化的空穴跳跃电导起主要作用.2/3Fe3++1/3Fe2+混合Fe离子掺杂样品的输运性质呈现非单调变化的趋势.讨论给出了掺杂引起晶格常数变化与电输运性质变化的关联机理.

自旋梯子化合物Sr_(14-x)Ca_xCu_(24-y)Co_yO_(41)中的Co替代效应

系统地研究单相Co掺杂自旋梯子化合物Sr14-xCaxCu24-yCoyO41(x=9:y=0,1,2,3;x=6:y=0,3)系列样品的晶体结构、电阻率以及热电势随Co含量的变化。随着y(Co)掺杂量的增加,晶格常数a,b,c几乎线性增加。电阻测量发现所有样品的电阻率温度关系均为半导体型,电阻率随着Co掺杂量的增加而增加。除了x=9,y=0样品外,其他样品的电阻率均可以用热激活公式ρ=ρ0exp(Δ/kBT)拟合。热电势测量发现,x=9,y=0样品的热电势显示金属型行为,其余样品均显示半导体行为,并且热电势随Co含量增加而明显增大。认为Co掺杂引入了无序、电子,并且引起空穴载流子由导电性较好的自旋梯子向导电性较差的自旋链的转移,从而减少参与导电空穴的数目,使得能隙、电阻率以及热电势增加。

缺氧条件下准一维自旋梯状结构化合物(Sr1-xCax)14Cu24O41-δ的磁化率特性研究

在空气环境中采用固相反应方法制备出三种A位Ca掺杂自旋梯状结构化合物(Sr1-xCax)14Cu24O41-δ样品(x=0,0.25,0.43)能量损失谱(EDS)分析表明,该体系Ca掺杂样品均严重缺氧(分别对应的缺氧含量δ=7.64,6.99,6.67).X射线衍射(XRD)结果显示,所有样品均为单相,并且晶格常数a,b,c的值随着缺氧含量δ的增加而增大.1T直流磁场下的磁化率-温度曲线及其拟合结果表明,对无Ca掺杂样品Sr14Cu24O41-δ(δ=7.64),氧含量减少导致自旋链上空穴数的减少,自旋链上自由自旋的Cu离子数目增大,而参与二聚化的Cu离子数目略有减小;而对Ca掺杂样品(Sr1-xCax)14Cu24O41-δ,随着Ca含量的增加,样品中氧缺失量降低,但Ca掺杂引起空穴减少的程度更强.

自旋梯状化合物Sr14(Cu1-yFey)24O41的拉曼散射谱研究

利用常规的固相合成法制备了三种Sr14(Cu1-yFey)24O41(y=0,0.03,0.05)多晶样品,其中y=0.03是单纯Fe3+掺杂,y=0.05是Fe3+和Fe2+混合掺杂.在100—1500cm-1频移范围内测量了这三种样品的偏振拉曼光谱.首先,通过与同类结构化合物的谱线比较,确定了在由两个子晶格组成的简单Fmmm结构样品中,拉曼光谱的测量存在(4Ag+4B1g+3B2g+B3g)模式.其次,实验观察到这三种样品都在1170cm-1附近出现一弱峰,解释为非拉曼散射的红外活性的纵光学声子模,其中峰强的变化反映了空穴在自旋链与自旋梯之间的重新分布.导电性较强的y=0.03样品在1170cm-1附近的散射峰强度十分微弱,原因是CuO2自旋链上的空穴转移到了Cu2O3自旋梯上.

氧气压对光学浮区法自旋梯子化合物Sr_(14-x)Ca_xCu_(24)O_(41)单晶制备和组分的影响(英文)

利用光学浮区法制备了自旋梯子化合物Sr14-xCaxCu24O41(SCCO)系列单晶样品,研究了氧气压对晶体生长的影响和制备条件对晶体性质的影响程度。发现在常压氧气氛下可以制备出Ca含量x小于8的大块高质量的SCCO晶体,但更高Ca含量的样品仍然必须在高压氧气氛下(0.9MPa)下进行。采用XRD,EDX能谱和电阻率测量实验手段对不同条件制备的SCCO单晶样品进行的分析测试表明,不同氧气压制备出的SCCO单晶样品的性质差别较小,但是高压氧气氛更有利于高Ca含量样品的晶体生长。

磁性和非磁性元素掺杂的自旋梯状化合物Sr_(14)(Cu_(0.97)M_(0.03))_(24)O_(41)(M=Zn,Ni,Co)的结构和电输运性质

利用固相反应法制备了Sr14Cu24O41及其系列B位掺杂Sr14(Cu0.97M0.03)24O41(M=Zn,Ni,Co)的样品.X射线衍射分析显示,所有样品均为纯相,晶格常数a与c没有明显的变化;Zn掺杂样品晶格常数b没有明显变化,而Ni,Co掺杂样品晶格常数b分别稍有增加.选区电子衍射研究揭示:磁性元素Ni,Co及非磁性元素Zn掺杂,可能主要替代了Sr14Cu24O41结构中自旋链上的Cu原子,从而影响了自旋链上的dimer排列,破坏电荷有序超结构.电输运测量显示:Zn2+,Ni2+,Co3+离子掺杂样品的电阻率降低,但仍体现半导体行为,所有的掺杂样品都存在一个渡越温度Tρ,当T>Tρ时,其导电机理是以单空穴热激发导电占主要地位,在T<Tρ时,配对的局域化空穴的一维变程跳跃导电占主要优势;在相同的掺杂量下,非磁性元素Zn掺杂对电阻率值的影响大于磁性元素Ni,Co掺杂的影响,而磁性元素Ni,Co掺杂对渡越温度Tρ的影响大于非磁性元素Zn掺杂的影响.

自旋梯状化合物Sr_(14)Cu_(24)O_(41+δ)的Raman散射谱的研究

利用常规的固相反应法制备了单相多晶样品Sr14Cu24O41+δ,并在不同的温度下进行退火,改变样品中的氧含量.能量色散谱(EDS)显示样品中的氧含量随退火温度的增加而减少.磁化率温度特性的研究显示,600℃下退火的样品中的二聚体数最多.Raman光谱的研究显示,伴随着样品中氧含量的偏离,由无序或低能磁激发诱导的一些Raman振动模出现规律性的变化.进一步的分析证实这种Raman光谱的变化行为与晶体结构中由于氧含量的不同导致的Sr14Cu24O41中晶格失配比率对10/7的不同偏离程度有关.

自旋梯状化合物Sr_(14)(Cu_(1-x)Zn_x)_(24)O_(41)的电输运及磁学性质

采用标准固相反应法制备了Sr14（Cu1-xZnx）24O41（x=0,0.01,0.02,0.03）系列多晶样品.X射线衍射谱表明所有样品均呈单相,且样品晶格常数大小随Zn掺杂量x的变化存在微弱波动.X射线光电子能谱表明Sr14Cu24O41中Cu离子以＋2价形式存在,Zn掺杂对体系中Cu离子化合价不造成影响.磁化率测量结果表明在10-300 K温度范围内Zn掺杂使体系磁化率降低,拟合结果表明随着Zn掺杂量x的增大,居里-外斯项对体系磁化率贡献逐渐减弱,二聚体耦合能JD逐渐降低,每个分子中Cu O2自旋链内二聚体个数ND与自由Cu2＋离子自旋数NF均逐渐减少,进一步分析显示替换二聚体内Cu2＋离子的Zn2＋离子数少于替换自由Cu2＋离子的Zn2＋离子数.电阻率测量结果表明Sr14Cu24O41体系具有半导体特性,并且Zn掺杂会使体系电阻率降低,降低程度随掺杂量x增大而增大,但并未使体系发生金属-绝缘体转变.认为电阻率降低可能是由于Zn2＋离子掺杂使体系内Cu O2自旋链中二聚体发生退耦,破坏了电荷有序超结构,从而使更多的空穴释放出来并转移到导电性好的Cu2O3自旋梯子中所致.

不同元素掺杂对复合晶体Sr14(Cu1-yMy)24O41(M=Zn，Ni，Co)结构的影响

用常规的固相反应法制备了Zn2+,Ni2+,Co3+掺杂的3组复合晶体Sr14(Cu1-yMy)24O41(M=Zn,Ni,Co)系列样品。选区电子衍射研究表明,这些样品的自旋链亚结构的衍射点都出现了在a*和b*方向上扩展成衍射线的现象,而仅由自旋梯子亚结构产生的衍射斑点仍保持明锐。随着掺入离子的电子总自旋的增大,自旋链亚结构的衍射斑点扩展成衍射线的现象加重。掺入Co3+离子的复合晶体Sr14(Cu1-yCoy)24O41中对应于自旋链亚结构的衍射斑点已完全扩展成垂直于c*的漫散射条纹。掺Co样品[001]带轴高分辨像显示,两套亚系统沿[001]方向的投影在a和b方向上的周期非常完整。这表明,Sr14(Cu1-yCoy)24O41的自旋链亚结构仅在沿着c发生了初始相位无序。而掺入离子的电子总自旋的不同使这种初始相位无序的程度不同。

含阻挫的不对称铁磁梯子自旋模型的量子相图

采用严格对角化和密度矩阵重整化群方法研究阻挫和对称性对铁磁梯子基态的影响,得到体系在不对称强度参数-阻挫强度参数空间的基态相图.结果表明:在不对称性较强的体系中,随着阻挫强度的增大,系统基态从铁磁相转变为总自旋S≠0的倾斜相、再到总自旋S=0的反铁磁相;随着不对称强度参数αa的增大,倾斜相存在的阻挫强度参数区间越来越窄;当αa>0.08时,则不经历倾斜相,直接从铁磁相一阶相变为总自旋S=0的反铁磁相.

(14-x)SrCO_3-xCaCO_3-24CuO系统低于1000℃固态反应过程中物相的演变

详细报告了采用粉末x射线衍射(XRD)和差热分析(DTA)技术研究(14-x)SrCO3-xCaCO3-24CuO系统在环境压力下低于1000℃温度范围内固态反应过程中物相的演变的结果.根据实验,当钙的掺入量x=8.4,11.2,13.6和14时,该系统的固态反应过程比较复杂,1000℃下得到的样品都是多相物;在945℃附近新观测到了一个尚未鉴定的相,它与其DTA曲线上第三个吸热峰相吻合.对于x=0,0.4,2.8和5.6的样品,其固态反应的规律非常相似: