常见的自旋模型Kitaev与DM相

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A

Isingmodel

上一节落下了最简单的模型:伊辛模型(Isingmodel,其实在小编之前分享的蒙特卡洛方法那一节有介绍),伊辛模型是将自旋方向固定在一维,如果是沿着z轴,那么就只有两种选择,自旋朝上,自旋朝下(这也是读者经常看到的spin-up,spin-down或者有的地方称之为spinmajority,spinminority)形式跟海森堡模型其实一样,只是矢量的点乘变成了标量的乘积。

B

Kitaevmodel

在六角晶格中,如CrI3,RuCl3中还存在Kitaev相互作用[1-5]:

Kitaev作用是在量子自旋液体中提出的一个模型(年加州理工大学的Kitaev大神提出,而且还从数学上给出了严格解)。

在Kitaev模型中,通过Jordan-wigner变换,可以将其转化为Majorana费米子模型。该模型在拓扑量子计算具有一定的应用前景。

这个模型与之前提到的模型的不同之处在于,它的自旋方向是沿着化学键的三个方向的Isingmodel,形式如下:

其中的x,y,z是沿着键的方向,而不是正交直角坐标系。

如下图所示:x,y,z是沿着格点之间的连线,也就是化学键的方向。这里自旋也是如Isingmodel中一样,被固定在一个方向上,可以理解为,有三个Isingmodel加起来。在这个模型里的态空间里,自旋只允许沿着化学键的方向。

通过严格求解后可得如下相图:

其中Ax,Ay,Az,为无能隙的的量子自选液体相,B区间为有能隙的量子自旋液体相。

Kitaev作用一般存在于电子关联、自旋轨道耦合以及晶体场等的结合效应中,如CrI3、RuCl3、Na2IrO3,Li2IrO3等。在年发表在PRL的研究中[PRL,()],人们还使用Kitaev-Heisenbergmodel来描述,如:

因为有三个方向的键,所以上面的哈密顿只是代表其中的某一个方向,总的哈密顿要将三个方向加起来。

随后人们拓展了这一模型,引入了非对角项\Gamma,称之为

第三项是指在Kitaev坐标中,SxSy等交叉项的作用项,也就是说,之前的Kitaev将基于化学键方向的三种自旋方向假设为正交,而上述扩展模型产生了一个不正交的作用。(后面讲完DM相互作用后小编会给出矩阵形式)。

为了方便理解,读者可以分开写:

(1)是Heisenberg项

(2)是Kitaev项,需要对三个化学键方向的自旋加和。

(3)是非对角项,需要分别对三个化学键方向的组合加和。

C

DM相互作用

DM(Dzyaloshinskii-Moriya)相互作用,也叫反对称交换作用,对于中心反演对称破缺的体系,由于自旋轨道耦合的存在,能够诱导出不对称的交换作用,哈密顿的形式上,交换的形式是自旋与自旋之间的矢量叉乘项。

哈密顿形式如下:

如图所示,其中Dij为DMvector,垂直与“磁性离子-配体-磁性离子”所在的面,且满足:

它是通过磁性离子连接配体产生的超交换作用(后面还会提到这一类间接交换作用)。往往是DM作用项导致了材料中的螺旋磁结构,

在一些材料中,斯格明子(skyrmion)的出现也主要源于DM相互作用,由于斯格明子在自旋电子学领域具有很大应用前景,所以这个作用也备受


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