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低维反铁磁海森堡自旋系统的基态与低激发态的性质在近十多年来一直受到广泛而持续的关注。由于低维体系中有很强的量子涨落,使这些体系呈现出许多新奇的特性,如会有自旋准长程序、自旋能隙、量子相变等现象。
几何维度显著影响着反铁磁海森堡自旋系统的性质。在一维s=1/2的反铁磁海森堡链模型的旁边掺入相同自旋的磁性杂质原子(称为侧自旋),构成一类新的准一维模型体系,侧自旋与链上最近邻格点自旋间的交换作用耦合常数为J,与链上次近邻格点自旋间的交换作用(即阻挫作用)耦合常数为αJ。我们研究了掺入侧自旋后,随着侧自旋与链上次近邻格点自旋间相互作用的改变,晶格体系的基态自旋图像、磁性特性、自旋能隙等物理性质。
严格对角化方法的结果表明,对于有限长的一维海森堡反铁磁链,随着次近邻作用的改变,在不同的参数区间,该体系将分别处于自旋奈尔序,自旋倾斜序和自旋无序区。
基于三子格模型的自旋波理论和动量空间的格林函数方法的研究结果表明,在次近邻作用比较微弱时,该体系仍将处于奈尔序。同时,体系的性质发生了一些明显变化,阻挫导致两支光学模能隙简并的解除,阻挫引起声学模自旋波激发谱软化,但并不导致光学模激发谱软化。阻挫导致两支光学模激发谱中的一支明显下移,这意味着阻挫使光学模激发变得重要且容易实现,阻挫引起的自旋偏离对于属于不同的子格的自旋是不同的,阻挫对于系统基态磁性长程序的削弱随着阻挫增强变得越来越明显。
高阶耦合团簇方法对此模型研究的结果也表明,在一定阻挫作用强度范围内,该体系仍然具有磁性长程序。随着阻挫作用的不断增强,体系的磁性序不断减弱。当阻挫作用增强到一定强度时,选奈尔序为参考态的耦合团簇方法失效,体系的性质发生变化。
数值方法DMRG方法对此模型研究的结果表明,在一定阻挫作用范围内,该体系具有磁性长程序。当阻挫α超过0.411时,体系基态的平移对称性将发生变化,同时体系具有自旋能隙。进一步的研究表明,在有能隙的区域内,体系的性质可能和TD有关。
最后,对各种方法研究结果的对比表明:在奈尔序存在的参数范围内,解析方法和数值方法在体系性质随α的变化所得到的结论是定性一致的。但是在定量描述上,自旋波理论低估了量子涨落对体系基态能的影响,而耦合团簇方法和密度矩阵重整化群方法研究的结果则非常接近。当α超过一定临界值时,基于奈尔序假设的自旋波理论和耦合团簇方法将不再适用,而密度矩阵重整化群方法仍然适用。因此,与其它方法相比,密度矩阵重整化群方法是处理准一维反铁磁海森堡自旋链最好的方法。