大自旋系统的局域磁性和相变研究

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近年来,大自旋系统的磁性是量子多体系统中一个备受关注的研究领域。固体材料中的大自旋通常由原子中未配对的电子通过洪特规则耦合形成,另外一个可以实现和模拟大自旋的是光晶格中的超冷原子系统。一些固体电子材料中的强关联效应,例如巡游铁磁性、Mott转变等,在大自旋冷原子系统中很快被重新关注和深入研究了。正是在这样的背景下,本论文在大自旋系统中重新审视和深入研究了 Anderson磁性杂质和Heisenberg局域磁性问题。首先,我们基于Anderson杂质模型对自旋-3/2巡游费米系统的局域磁态形成机制进行了研究。通过理论推导和数值计算得到了基态磁相图,并对各相的局域磁性做了详细讨论。我们发现:与自旋1/2电子系统相比,自旋3/2费米系统的平均场磁相图更加丰富,包含磁相Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ,分别对应一个、两个和三个粒子/空穴占据;空穴的磁相区域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ分别对应于粒子的磁相区域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ,在一定程度上反映了模型的对称性;三个磁相都是四重简并的基态;不同磁相之间的转变是一级相变。其次,我们基于Heisenberg模型对大自旋三维各向同性阻挫反铁磁体的基态磁性和热力学性质进行了研究。计算和讨论了磁化强度、相变温度、内能和自由能对于自旋量子数和阻挫强度的依赖关系。结果表明:量子自旋涨落被自旋量子数所压制,被系统的阻挫所加强;对于有限温度,量子自旋涨落和热涨落共存(无法区分),热涨落对于不同的阻挫强度具有各向同性,而量子自旋涨落对于不同的阻挫强度似乎具有各向异性;自旋量子数越大,热力学涨落越占据主导地位。最后,我们计算和讨论了自旋各向异性和单离子各向异性对三维Heisenberg阻挫系统磁性质的影响。结果显示:自旋各向异性和单离子各向异性都抑制了量子自旋涨落,但它们对基态能量的影响行为完全相反;当两种各向异性共存时,自旋各向异性对磁化强度和内能的影响要大于单离子各向异性对相应热力学量的影响。
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