孟子杨等

海森堡模型能谱研究获进展
2018-02-08 16:39
来源:《物理评论X》

 

 
动力学性质的准确计算,是凝聚态物理学量子多体问题中的难题。
 
所谓动力学性质,主要是指谱学行为,如关联电子系统中的准粒子(quasiparticle)能谱,如量子磁学系统中的自旋波磁振子(magnon)能谱。这类能量、动量依赖的谱函数,可以告诉人们量子多体系统的本质信息,且与现代凝聚态物理学的实验手段直接相关。比如角分辨光电子谱测量的就是固体材料的电子结构(即准粒子能谱),而中子散射测量的,就是量子磁学材料中的自旋波磁振子能谱。从准粒子谱中,可以看到费米面的形状和费米面上准粒子权重的分布。从自旋波磁振子谱中可以看到材料的自旋排布,更可以看到自旋波磁振子的色散关系。比如,目前人们正在寻找的量子自旋液体材料中的连续谱和连续谱背后所蕴涵的分数化自旋子(spinon)元激发,这些谱学行为是寻找与确定拓扑序这种超越朗道对称性破缺框架的物质形态的直接证据。
 
谱学的结果如此重要。但对于凝聚态量子多体问题的动力学性质的严格计算,从理论上讲却相当困难。量子多体问题的动力学性质牵扯到多体系统的时间演化问题,对于具有指数多自由度的强关联系统,其静态可观测量,如能量、序参量还有种种关联函数已很难准确计算;而动力学性质的计算,即准确计算相互作用的、指数多的自由度随着时间的演化,并没有普适的、可靠的方法。在个别问题上,我们有严格可解模型,但主要集中在一维量子系统。对于二维或更高维的量子多体系统,解析的方法只能提供微扰论意义下的近似,比如量子磁学系统中的自旋波理论和它的高阶修正。真正严格的计算,还是需要发展数值计算方法。目前为止,许多看似基本的问题,比如反铁磁海森堡模型的自旋激发谱,人们没有得到全局性的认识。现在领域的前沿就是逐步做到准确计算量子多体系统基本模型的动力学性质,然后和实验结果进行比对,验证计算结果是否正确。
 
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心理论室已毕业博士生秦彦齐、副研究员孟子杨,与北京计算科学研究中心博士邵慧、副研究员Stefano Chesi,法国图卢兹大学教授Sylvain Capponi,美国波士顿大学教授Anders Sandvik组成的研究团队,在计算量子多体问题动力学性质方面,进行了有益尝试。研究人员将一套结合量子蒙特卡洛(quantum Monte Carlo, QMC)和随机解析延拓(Stochastic analytic continuation, SAC)的计算方法应用到二维方格子反铁磁海森堡模型的动力学行为研究之中,得到了海森堡模型,这个量子磁学系统的最基本模型的完整能谱。如图1、图2所示,研究结果既可以与最近的Cu(DCOO)2.4D2O材料中子散射的实验结果进行对比,更揭示了海森堡模型的高能自旋能谱中蕴涵着分数化自旋子激发的痕迹,从而建立了海森堡模型与去禁闭量子临界行为的深层联系。这个发现说明,去禁闭量子临界行为和其伴随的分数化自旋子激发,其实在磁学系统的基本模型中也存在,它们是超越朗道对称性破缺的语言,是对于一大类量子相和量子相变问题更完整的描述。相关研究成果发表在Physical Review X上。
 
如图1所示,系统的基态具有反铁磁长程序,自旋波磁振子在动量点(pi, pi)没有能隙,对应着海森堡模型中自旋对称性的自发破缺,而且磁振子在(pi, pi)的能谱,基本上是一个delta-函数,90%以上的谱权重都在这个delta-函数里。这个结果,与Cu(DCOO)2.4D2O材料的中子散射实验结果以及线性自旋波的解析计算,都是吻合的。然而,更有意思的是,实验和QMC+SAC的计算结果都发现,在动量点(pi, 0)附近磁振子的位置,即第一激发态的能隙,明显小于线性自旋波的计算结果,如图2(上)所示。而且,在自旋波磁振子的delta-函数之上,存在着相当宽的连续谱,这里的谱权重分布和(pi, pi)点的情况相反,连续谱占据了近60%的谱权重,而delta-函数只有40%。这样的现象是自旋波理论不能解释的。
 
为了更好地理解(pi,0)附近的连续谱,科研人员将海森堡模型和具有去禁闭量子临界点的J-Q的模型的动力学计算结果,做认真对比。如图3(左)所示,在J-Q模型中,随着Q/J的增大,系统从反铁磁长程序的基态逐渐逼近去禁闭量子临界点,可以很清楚地看到,在(pi, 0)点上的磁振子谱权重,随着Q/J的增大急速地消失,表明即使在反铁磁长程序中,(pi, 0)点S=1磁振子,也在不断地分数化成S=1/2的自旋子。QMC+SAC的计算揭示了这个奇异的过程:在海森堡模型中,作为去禁闭量子临界点的先兆,整数自旋(S=1)的磁振子在(pi, 0)处分数化成了近乎去禁闭状态的半整数自旋(S=1/2)的自旋子,自旋子之间具有相互作用,自旋子和磁振子之间也有相互作用,这些相互作用使能谱偏离线性自旋波,使磁振子分数化。显而易见的是,分数化、去禁闭、超越朗道对称性破缺框架的凝聚态物理学相变理论新范式,其实就蕴藏在人们熟悉的基本模型之中,只是之前没有如QMC+SAC这样得力的工具,无法得到准确的能谱。
 
如上所述,量子多体问题的动力学性质的严格计算,是十分困难的问题,但尴尬的是,动力学性质恰恰可以被现代凝聚态物理学实验手段直接观测。所以,理论和实验之间的差距变成了阻碍领域继续向前发展的鸿沟。同时,凝聚态物理学中的新现象、新问题,如相互作用的拓扑物质形态、超越朗道对称性破缺框架的物质分类理论、去禁闭量子临界点、量子自旋液体中的涌现规范场、巡游电子量子相变和非费米液体行为,正在不断地出现,与之伴随的凝聚态物理学新范式正呼之欲出。对于这些现象的动力学性质的计算,即可以解释不断积累的实验现象,又可以推动理论的进一步发展,其重要性自不待言。该团队在这项工作中使用和发展的QMC+SAC方法,能够在一些强关联模型中得到准确的能谱,应用前景广阔,比如在量子自旋冰模型中,人们讨论了很多年的规范场光子的激发谱,已被QMC+SAC看到。其他应用正在逐步展开。
 
研究工作得到了科技部重点研发计划、自然科学基金委、中科院先导培育项目、国家博士后基金,以及美国国家自然科学基金的支持。量子蒙特卡洛模拟所需的大规模的并行计算在物理所量子模拟科学中心和天津国家超算中心天河1号平台上完成。(来源:中科院物理所)
 
图1.(上)二维方格子反铁磁海森堡模型与尼耳态。(中)Cu(DCOO)2.4D2O 材料的中子散射实验结果,这个系统很好地实现了二维反铁磁海森堡模型,其自旋激发谱与(下)中的量子蒙特卡洛+随机解析延拓(QMC+SAC)结果吻合;而且,在中子散射实验(中)和量子蒙特卡洛理论计算(下)里,系统的自旋激发谱在动量(pi,0)附近都有连续谱出现。
 
 
图2.(上)量子蒙特卡洛+随机解析延拓(QMC+SAC)计算出的磁振子色散关系与Cu(DCOO)2.4D2O材料中子散射实验结果的对比,吻合近乎完美。同时线性自旋波的计算结果(Linear SWT),对于反铁磁长程序的描述,在(pi, pi)点附近没有问题,但是在(pi, 0)点附近失效。这是因为自旋波的计算中,无法考虑分数化的自旋子激发。(下)随机解析延拓(QMC+SAC)计算出的能谱与Cu(DCOO)2.4D2O材料中子散射实验结果的在(pi, 0)和(pi/2, pi/2)点的细节对比。可以看到在(pi, 0)点除了 delta-函数之外,高能连续谱占有相当大的谱权重;而在(pi/2, pi/2) 点,谱权重都集中在delta-函数里。
 
图3.QMC+SAC计算出的自旋波能谱在(pi, 0) 和 (pi/2, pi/2) 点的行为。(a)为磁振子谱峰的位置,(b)为磁振子的谱权重。可见随着Q/J的增大(系统越来越靠近去禁闭量子临界点),(pi, 0)点的磁振子谱权重急速消失,系统的低能激发从整数自旋(S=1)的磁振子变成分数自旋(S=1/2)的自旋子。(pi/2, pi/2)点则没有这样的变化。
 
 
 
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