научная статья по теме ФЕРРОМАГНЕТИЗМ В МОДЕЛИ ХАББАРДА В ПРЕДСТАВЛЕНИИ МНОГОЭЛЕКТРОННЫХ ОПЕРАТОРОВ Физика

Текст научной статьи на тему «ФЕРРОМАГНЕТИЗМ В МОДЕЛИ ХАББАРДА В ПРЕДСТАВЛЕНИИ МНОГОЭЛЕКТРОННЫХ ОПЕРАТОРОВ»

ФЕРРОМАГНЕТИЗМ В МОДЕЛИ ХАББАРДА В ПРЕДСТАВЛЕНИИ МНОГОЭЛЕКТРОННЫХ ОПЕРАТОРОВ

А. В. Зарубин, В. Ю. Ирхин*

Институт физики металлов Уральского отделения Российской академии наук 620990, Екатеринбург, Россия

Поступила в редакцию 15 июля 2011 1".

Рассмотрена модель Хаббарда для металла с сильными корреляциями в представлении многоэлектронных Л'-операторов. Получены общие самосогласованные выражения для одночастичных функций Грина с учетом флуктуационных поправок. Найдены области устойчивости насыщенного и ненасыщенного ферромагнетизма в основном состоянии на плоскости п—и (п — концентрация электронов, V — параметр кулоновского взаимодействия) для различных затравочных плотностей состояний (полуэллиптическая зона, квадратная, кубическая и гиперкубическая решетки).

1. ВВЕДЕНИЕ

Сильный ферромагнетизм коллективизированных электронов имеет место в ряде силыгокорре-лированных (/-соединений [1, 2], например, в полуметаллических ферромагнетиках [3]. Соответствующая многоэлектронная картина ферромагнетизма, учитывающая формирование локальных моментов, очень сложна и существенно отличается как от стонеровской (коллективизированные электроны в среднем поле), так и от гейзенберговской (локализованный магнетизм). Для ее анализа может быть использована простейшая модель Хаббарда [4].

В простейшем приближении Хаббард I [4] (см. ниже формулы (6)) магнитное упорядочение есть результат сужения и расширения спиновых подзон (а не постоянного спинового расщепления, как в теории Стопора). Однако оказалось, что это приближение, рассматривающее невзаимодействующие квазичастицы в хаббардовских подзонах, также не дает удовлетворительных результатов. В частности, Хаббард [4] не нашел магнитных решений для простых затравочных плотностей состояний (хотя ситуация может измениться в случае вырожденных ii-зон [5]).

Метод многоэлектронных А'-операторов Хаббар-да [2,6]

Xf =

(о = 0 означает дырки, а = 2 двойки, а а = = ±(f4) однократно занятые состояния на узле)

E-mail: Valentin.Irldiinö'imp.uran.ru

проясняет причину этой неудачи: выражения для функций Грина Хаббард I нарушают кинематические соотношения для А'-операторов. Действительно, в ферромагнитной фазе (при (5'~) ф 0) в простом квазичастическом (полюсном) приближении невозможно одновременно для обеих проекций спина а удовлетворить тождества

£ (А^АГ) = {А'00) = н0 = 6, (1)

к

где фурье-компоненты А'-операторов, п0

концентрация носителей тока (дырок), подробнее см. разд. 3.

Таким образом, необходим учет флуктуаций и некогерентных состояний, которые дают существенный вклад в электронный спектр.

Более успешным оказывается критерий неустойчивости насыщенного ферромагнетизма, учитывающий неполюсныо вклады и связанный с появлением спин-поляронного полюса функции Грина со спином вниз ниже уровня Ферми [7]. Однако этот подход по позволяет описать ненасыщенное ферромагнитное состояние.

Рот [8] применила к модели Хаббарда специальное двухполюсное приближенно и получила две критические концентрации носителей тока. Первая соответствует неустойчивости насыщенного ферромагнетизма и в пределе большого кулоновского взаимодействия V —¥ ос составляет для различных решеток около 30 % значение, которое было затем получено различными методами. Вторая соответствует

переходу из ненасыщенного ферромагнетизма в парамагнитное состояние, причем результаты для нее гораздо менее устойчивы.

В ряде работ, начиная с пионерской работы Нага-ока [9], исследовалась неустойчивость насыщенного состояния относительно переворота спина [10 13].

В предыдущих работах [14, 15] мы применили к модели Хаббарда с и = ос 1/¿-разложение для од-ночастичных функций Грина в многоэлектронном представлении с учетом продольных флуктуаций и получили интерполяционное описание насыщенного и ненасыщенного ферромагнетизма.

В настоящей работе мы обобщим это рассмотрение на случай конечных значений V и построим магнитную фазовую диаграмму с учетом насыщенного и ненасыщенного ферромагнетизма для различных решеток.

где па = {Хаа^

Гкгт(-Е) = - х>ч<дак°ч+•

ч

+ -ггй Е +4

1 1

х Е К-ч'ч-«* + (7)

ч

¿>\4 = .4 — (А) флуктуирующая часть оператора. Составляя уравнения движения для функции Грина (7) и выполняя расцепления членов с тремя Л'-операторами, запишем электронную функцию Грина (5) через самосогласованный локатор

2. ВЫЧИСЛЕНИЕ ОДНОЭЛЕКТРОННОИ ФУНКЦИИ ГРИНА В ПРЕДСТАВЛЕНИИ Х-ОПЕРАТОРОВ

Запишем гамильтониан модели Хаббарда в многоэлектронном представлении [6, 16]

н = + <тЛ'!г)(АГ + «х^2) +

ксг

+ (2)

■I

где ¿к зонный спектр, явные выражения для обобщенных проекционных операторов Хаббарда имеют вид

Л7° = 4(1 -щ-л = ,т. (3)

Рассмотрим запаздывающую функцию Грина

= «с^кЛя =

= {{АП4Ь + Ьп^ > 0. (4)

Записывая пару уравнений движения для функций Грина в правой части (4), мы находим формальное решение

Оыт(Е) —

1

Дс <т(Е) ~ ¿к

-Рксг(-Е') - '"'/г.!' (8)

«ксг!-С )

По + Па- П-0+П2 /1 1 Ык<7 (Е) = ----Ь —-— + I — -77 I X

Е Е-и \Е Е-и

— Е-Ид-гт + Ц(пч-

'ч 1 Е2 - £(*„ + и) + тч(по + н_,

ЕПц—сг и^Пц—сг Пс^—сг ^к—д)

Е2 + Е(1Ч - и) - тч(п„ + п2)

и (■4 - -Д— I X

ч

Е Е — и

_ к—д_

ЧЕ* +Щ +Шч(п0+П„

О)

Ька(Е) = 1 - ( - „ 1 „ I X

Е Е — и

Еич-сг Ъ'Чц — а

Е2 - Е(1Ч + и) + тч(п0 + п.

ЕИц—гг сг '"'д—сг)

Е-2 + £(*ч - и) - тч(па + п2)

(10)

Оыг(Е) = С^(Е)[1 + £"(£')ГкСг(Е)]. (5) где п^ = {4ск<т) одночастичные числа заполне-

Здесь функции Грина в приближении Хаббард I выражаются через нулевой локатор:

1

Е°(Е) =

Е(Е - Ц) Е - и(п0 + п„

"ксг = (^^к7)' '"'ксг - Йксг = о(Х2_ъ (Ъ.<т) (Н)

и введены спиновые и зарядовые корреляционные функции

\<| " = {¿'с^-д}' К<1 " = {РцР-ц)'

12 ЖЭТФ, выи. о

977

(12)

= - ( Т++ — V-'

д 2^4 ^ ч

Р% ~ ■ Рч ~ 2 ^^ч2 -

Результат (8) соответствует первому порядку формального разложения по обратному координационному числу 1/г. При этом приближение Хаббард I [4] (результат расцепления на разных узлах) выступает в качестве приближения среднего поля по электронному переносу. Знаменатели в (9) и (10) можно выразить через функции Грина Хаббард I (6) и сопряженные функции Грина

=

1

Е(Е - Ц) Е - и(па + п2)

(14)

Заменяя функции Грина Хаббард I на точные, получаем

«ксг(-Е') =

По + п,т П-о- + П-2

Е

1 1

Е — и \Е Е — и

-Епч-„ + и(пч-

Е - и(п0 + п.

1-1'({ П V { 11(1 п I 'а а К

(Т — (Т \

Щ-1Т "<д-СГ Пк-Ч'

Е - и(п,т + п2)

и 14

Л

к—q

Е Е~и } ^ 'чЕ^и(п0+по

-Сгчгт(Е), (15)

^ксг (Е) — 1 (

Е Е — и

х

Е,2 ( у Ъ 'Иц^—{т ^ , р.

ч \ ~Е* ¥777. ГТ! '^ч-а-у-^ I

ч

Еп,

4 * Е-и(тю + п-с'"4'

■ц—аг ~~ fíq_сгу

Е - и(п,т + п2)

СГ(Е) . (16)

В свою очередь, для самосогласованной функции Грина С^сг(Е) необходимо записать свою систему уравнений. Разрешая ее, получаем

<Зьсг(Е) —

1

^ксг (Е) / г? \ ■

иьАь>

„ По+П-г Па+П2 . ( 1 1

аксг(£) = ——— +—— + I —--—- I х

Е-и Е

х ЕЧ -Е-Щ^ + п^)-Ст«-АЕ)

Е Е — V /

(7(7 \

ч \

Епч-а — и (п.

Ц-(7 Г

Е - и(п,г + п2)

■ и

1 1

Е^я

Л:

к—q

Е Е~и } ^ *чЕ^и(п0+по

СгчАЕ). (18)

Числа заполнения п^ выражаются через функции Грина (8) с помогцыо спектрального представления (ср. ниже (24)). Для определения недиагональных чисел заполнения п^ аналогичным образом вычислим функцию Грина

6ы(Е) = «ЛГ кО* =

1

(19)

РиЛЕ) =

ЬьАЕ)

В результате найдем

По + Пе

«ксг(-Е') =

Е

( Е'Пд-д + V (Пд-д \к ч)

£ 2—, 4 \ г тги,- I,,, \ "д-сг^Л )

ч

Е-и{п0+п-

Епч^„ - - п.

д-<т "к-д'

Е - и(п,г + п2) р. я

-С4ЧГТ(Е), (20)

Е ^ ЧЕ — и(п0 + п„

~КЛЕ) ~ 1 Е Е % ( Е-Щщ+п-„] +

Е'11 д-,7 — Ь ('/¿д_о- — Пд _ д- ) \ ^

Е-Щн^+нз) 7 ' '

Таким образом, мы вывели замкнутую самосогласованную систему уравнений. Полученные выражения могут быть использованы для анализа электронного спектра и различных фазовых переходов в модели Хаббарда с сильными корреляциями. При этом корреляционные функции возбуждений бозовского типа, вообще говоря, также должны находиться самосогласованно через соответствующие функции Грина. Кроме того, следует учесть динамику этих возбуждений. К сожалению, такая программа сталкивается со значительными вычислительными трудностями. Поэтому здесь мы используем для этих

корреляторов локальное приближение, заменяя их одноузольными значениями, определенными из правила сумм:

ш/и

\ — "'О

.-.С — (Т _

Л ч — 11-2 ,

Ад = (по + '"<т)('"-<т + П-2)

(22)

Тогда величины «к¡т(Е) и Ь^(Е) не зависят от импульсов, а при численном решении уравнений мы можем перейти к однократному интегрированию с плотностью состояний. Отметим, что для поведения электронных спектральных функций (особенно в низкоразмерных системах) импульсная зависимость корреляторов важна и приближение (22) может оказаться недостаточным. Однако для интегральных термодинамических величин и фазовой диаграммы оно удовлетворительно. Подчеркнем, что в отличие от локального приближения Хаббард III [17] выражения (8) (10) позволяют последовательно учесть эффект фермиевских возбуждений, причем без перехода к вспомогательной модели Андерсона, как это делается в динамической теории среднего поля

(БШТ) [18].

3. МАГНИТНАЯ ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА

Поскольку, как это подтверждается дальнейшими вычислениями, ферромагнитное состояние в модели Хаббарда возникает при достаточно больших V, мы можем пренебречь зарядовыми флуктуа-циями и (в случае электронных концентраций п < 1) положить п-2 = 0. (Отметим, что в пределе больших и имеем п2 ос 1/Ц2.) Это позволяет нам зафиксировать число дырок п0 = 6 = 1 — п и решать самосогласованные уравнения только для намагниченности основного состояния тп = (5'~) = (щ — щ)/2 и химического потенциала

к

оо

[ ЪиСы(Е)(1-ПЕ)),1Е, (23)

ь

1

й- = но = ^{А'ГА^к) = к

= -^Е/ьиСкЛЯШЯЫЯ. (24) к

где /{Е) функция Ферми. С хорошей точностью решение уравнения для химического потенциала (24) по зависит от а. Выполнение этих правил

Рис.1. Магнитная фазовая диаграмма для квадратной решетки. Линии 1 и 2 — границы между ненасыщенным ферромагнетизмом и парамагнитной фазой (ФМ'-ПМ) и между насыщенным и ненасыщенным ферромагнетизмом (ФМ-ФМ') в многоэлектронном подходе, 3— граница между насыщенным и ненасыщенным ферромагнетизмом в приближении [7], 4 — результаты вариационного подхода [10], 5

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком