ЖЭТФ, 2019, том 156, вып. 6 (12), стр. 1185-1191
© 2019
О ФАЗОВОЙ ДИАГРАММЕ ОДНОМЕРНОЙ
МОДЕЛИ ХАББАРДА
Р. О. Зайцев*
Московский физико-технический институт
141700, Долгопрудный, Московская обл., Россия
Поступила в редакцию 9 июня 2019 г.,
после переработки 9 июня 2019 г.
Принята к публикации 25 июня 2019 г.
На основе изучения уравнения состояния исследуются условия появления неоднородных состояний. Пред-
полагается, что энергия Хаббарда U > t, т. е. соответствует условию сильных электрон-электронных
корреляций. Получена магнитная фазовая диаграмма в широкой области электронных концентраций,
относящихся к нижней хаббардовской подзоне.
DOI: 10.1134/S0044451019120150
2. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ
В настоящей работе предполагается, что энер-
1. ВВЕДЕНИЕ
гия Хаббарда [7] является наибольшим энергетиче-
ским параметром. Поэтому гамильтониан записыва-
Настоящая статья является продолжением рабо-
ется через X-операторы Хаббарда. Одноэлектрон-
ты автора [1], в которой получена двумерная маг-
ные операторы рождения и уничтожения представ-
нитная фазовая диаграмма, относящаяся к нижней
ляются в виде суммы X-операторов перехода меж-
подзоне Хаббарда, в которой имеется полный нэс-
ду пустым |0 и одночастичным |σ〉, а также между
тинг. В разд. 2 будет получено уравнение состояния,
одночастичным | - σ〉 и двухчастичными |II〉 состо-
в котором можно обнаружить структурную неустой-
яниями:
чивость, а в разд. 3 получена магнитная фазовая
Xσ||0+σ XII||-σ,
X 0||σ+σ X-σ||II.
диаграмма, которая содержит связь между элек-
â+σ =
âσ =
(1)
тронной концентрацией и волновым вектором спи-
Здесь и ниже Xαr — Х-операторы ферми-типа, удов-
ральности q. При этом при q = 0 мы получаем кри-
летворяющие нефермижидкостным перестановоч-
тическую концентрацию, соответствующую ферро-
ным соотношениям
магнитному упорядочению, а при q = π имеем кри-
{
}
(
)
тическую антиферромагнитную концентрацию, со-
X nm
Xkp
,
= δr,r δmk
X np + δpn Xkm
(2)
r
r
r
ответствующую удвоению периода.
Уравнения для одномерной модели неидеального
Уравнения для нахождения средних чисел запол-
ферми-газа были впервые получены в работах Мак-
нения nm находим из определения температурной
гайра [2]. Они были записаны в «первичном» кван-
функции Грина для каждой пары сопряженных
товании, а затем развиты в работах Годена [3], Либа
X-операторов:
и Ву [4], и др. Ограниченность такого подхода впер-
вые отметил Галицкий [5], который показал, что в
Dα,β(r, τ; r, τ) = -Θ(τ - τ)〈Xαr(τ)Xβr (τ)+
«первичном» квантовании не учитываются никакие
+ Θ(τ - τ)〈Xβr(τ)
(τ)〉.
(3)
r
обменные эффекты. В этом смысле следует пони-
мать конечную область применимости линейных ин-
Для вычисления одночастичной функции Грина
тегральных уравнений, полученных Годеном в его
используем простейшее однопетлевое приближение
диссертации [3, 6].
самосогласованного поля. В этом приближении
компоненты Фурье одночастичной функции Грина
* E-mail: zaitsev_rogdai@mail.ru
Dα,βω(p) только множителями fβ отличаются от так
1185
Р. О. Зайцев
ЖЭТФ, том 156, вып. 6 (12), 2019
называемой виртуальной функции Грина Gα,βω (p),
где
которая, в свою очередь, удовлетворяет уравнению
U
tp
1
типа Дайсона:
ξ±p =
+
±
U2 + t2p - 2U(1 - n)tp - μ
(11)
2
2
2
{
}α
— две энергетические ветви спектра.
Dα,βω(p) = Gα,βω(p)fβ;
Ĝ-1
(p)
=
ω
β
Проводя разложение в правой части (10) на про-
= {iω - ϵm + ϵs(α + β) - Σα,βω(p).
(4)
стые энергетические множители, находим
Здесь ϵm - ϵs — энергия перехода, отвечающая но-
n=2
Aλ(p)nF (ξλp),
меру перехода α, ω = T (2n + 1)π.
p
При заданных номерах одночастичного перехода
β(m, s) каждый концевой множитель fβ равен сумме
1
tp - U(1 - n)
средних чисел заполнения начального и конечного
A±(p) =
1±
.
(12)
2
состояния. В нашем приближении собственно-энер-
U2 + t2p - 2U(1 - n)tp
гетическая часть есть сумма произведений концево-
Поскольку в уравнении подынтегральное выраже-
го множителя на обобщенную матрицу перескоков,
а также однопетлевой поправки: fα(s,m) = ns + nm,
ние зависит от импульса через функцию переско-
ка tp, можно ввести функцию плотности состояний
Σα,β(p) = fαtαβ(p) + Σα,β,
ρ(ϵ) =p δ(ϵ - tp).
(5)
tαβ(p) = gk,σαtks(p)gs,σβ.
В нуль-петлевом приближении и при нулевом внеш-
3. УСЛОВИЯ СТРУКТУРНОЙ
нем магнитном поле f1 = 1 - n/2, f2 = n/2,
НЕУСТОЙЧИВОСТИ
[
]-1
Ĝσ
Для одномерной системы, для двумерной квад-
ω
(p)
=
ратной решетки и трехмерной системы типа ГЦК
(
)
iω - ϵ + μ - f1tp
-σf1tp
плотности состояний записываются следующим об-
=
,
(6)
разом:
−σf2tp
iω-ϵ-U+μ-f2tp
(√
)
1
2
где n — электронная плотность.
ρ1(ϵ) =
,
ρ2(ϵ) =
K
12
,
Для получения уравнения состояния вычисляем
π
12
π2
(
)
(13)
две независимых комбинации одночастичной функ-
1
1
ρ3(ϵ) =
ln
,
ции Грина:
2 ln(e/2)
12
(
)
Gσ-(ω, p) = (Gσω(p))1,1 + σ (Gσω(p))2,1 ,
(7)
где K
12
— полный эллиптический интеграл
Gσ+(ω, p) = σ (Gσω(p))1,2 + (Gσω(p))2,2 .
(8)
первого рода, который имеет логарифмическую осо-
бенность при |ϵ| → 0, две другие плотности состо-
Тогда с помощью определения среднего числа час-
яний ρ1,2 имеют краевую плотность состояний на
тиц с заданной проекцией σ находим
краю зоны (при |ϵ| → 1).
В пределе T = 0 и при заполнении нижней хаб-
nσ = 〈â+σâσ = nII + nσI = f2 =
∑(
)
бардовской подзоны получаем
=T
Gσ-(ω, p)eiωδfσ1 + Gσ+(ω, p)eiωδfσ2
(9)
p
n=n+ +n- =
Для того чтобы просуммировать по комплекс-
(
)
tp - U(1 - n)
ным частотам = i(2n + 1)πT , подставим в пра-
=
1-
θ
(-)
(14)
p
p
U2+t2p-2Utp(1-n)
вую сторону определения (9) явное выражение для
одночастичной функции Грина из (6).
С помощью введения плотности состояний уравне-
В результате после суммирования по проекциям
ние (14) переписывается следующим образом:
спина получаем уравнение состояния
[
]
n = 2T exp(iωδ)×
ϵ - U(1 - n)
p
n=
1-
×
]
U2 + ϵ2 - 2(1 - n)
[ (iω - U + μ)f1 + ( + μ)f2
minϵ
×
,
(10)
(iω - ξp)(iω - ξp)
× θ((-)(ϵ))ρ(ϵ)dϵ,
(15a)
1186
ЖЭТФ, том 156, вып. 6 (12), 2019
О фазовой диаграмме одномерной модели Хаббарда
/t
/t
0.51
D = 3
D = 3
0.508
A
0.50
0.506
D = 1
0.49
0.504
0.48
D = 2
0.502
0.47
B
0.500
0.90
0.92
0.94
0.96
0.98
1.00
n
0.498
Рис. 1. Уравнение состояния μ(n) при значении энер-
0.86
0.88
0.90
0.92
0.94
0.96
0.98
1.00
гии Хаббарда U
=, T
= 0, D = 1 и D = 2;
n
A(n = 0.946, μ = 0.5) — точка возникновения неоднород-
Рис. 2. Уравнение состояния μ(n) при значении энергии
ных состояний в одномерной системе
Хаббарда U =, T = 0, D = 3; B(n = 0.863, μ = 0.5)
точка возникновения неоднородных состояний в трехмер-
ной ГЦК-системе
где согласно (11)
U
ϵ
1
ξ±(ϵ) =
+
±
U2+ϵ2-2U(1-n)ϵ-μ.
(15b)
2
2
2
Соответствующие кривые изображены на рис. 1, из
которого следует, что расслоение невозможно для
Здесь интегрирование распространяется на области
двумерной системы.
заполнения в нижней подзоне Хаббарда. Нижний
Для случая трехмерной ГЦК-решетки расслое-
предел интегрирования в согласии с (13) равен -1,
ние также возникает при заполнении дырочной по-
а верхний предел интегрирования в (15a) определя-
верхности Ферми. При этом плотность состояний об-
ется из условия ξ(-)(ϵ) = 0, что соответствует
ращается в бесконечность по логарифмическому за-
кону: ρ ∼ ln(1 - ϵ) [1]. Для наглядности рассмотрена
2μ(U - μ)
f (n) ≡ f(n, U, μ) =
(16)
следующая плотность состояний:
(2 - n)U - 2μ
(
)
1
1
Рассмотрим уравнение состояния в пределе U =
ρ3(ϵ) =
ln
,
(19)
2 ln(e/2)
12
=:
которая при ϵ ≈ ±1 имеет логарифмическую осо-
2μ
бенность.
n = (2 - n)
ρ(x) dx, f(n, ∞) =
,
(17)
2-n
Проводя численные расчеты с помощью соот-
1
ношения (17), получаем зависимость μ(n), которая
где верхний предел интегрирования в (17) опреде-
имеет максимум шириной Δϵ = 0.14, как показано
ляется из (16). Решение уравнения (17) находим по-
на рис. 2 — кривая D = 3.
сле подстановки плотности состояния и дальнейше-
Для нахождения точки расслоения в случае ко-
го интегрирования по параметру ϵ. В результате по-
нечных U запишем уравнение состояния (2a) в сле-
лучаем уравнение состояния μ = μ(n) для одномер-
дующем общем виде: ϕ(n, μ, U) = 0, а затем вычис-
ного случая (см. рис. 1):
лим производную μ′n:
[
]
(2 - n)
π(3n - 2)
∂ϕ(n, μ, U)
∂ϕ(n, μ, U)
μ=
sin
(18)
dn +
= 0
(20)
2
2(2 - n)
∂n
∂μ
1187
Р. О. Зайцев
ЖЭТФ, том 156, вып. 6 (12), 2019
/t
или
∂ϕ(n, μ, U)∂ϕ(n, μ, U)
0.5
U=
=-
dn
∂n
∂μ
12.0 t
Таким образом, появление точки максимума на кри-
вой возникновения точки расслоения совпадает с
0.4
условием обращения в нуль производной ϕ(n, μ, U)
по n:
0.3
1.0 t
U2 (U - x(1 - n))
0.8 t
1=-
] ρ(x) dx +3
[√
0.6 t
-1
U2+x2-2Ux(1-n)
0.2
0.5 t
[
]
0.4 t
f (n) - U(1 - n)
+ f(n) 1-
×
0.3 t
U2 + f(n)2 - 2Uf(n)(1 - n)
0.1
0.2 t
× ρ(f(n)),
(21a)
U = 0.1 t
где
0
5
10
15
20
25
30
(1 -
n).
103
∂f(n,U,μ)
2μU(U - μ)
f(n)
=
(21b)
∂n
((2 - n)U - 2μ)2
Рис. 3. Положения максимумов уравнения состояния μ(n)
в зависимости от значения энергии Хаббарда (одномерная
Совместное решение уравнений (21a) и (21b) при за-
модель, T = 0), U =(n = 0.9735, μ/t = 0.5065)
данном значении энергии Хаббарда U определяет
максимальное значение кривой химического потен-
q
q
циала μ в зависимости от плотности n. Для одно-
мерной плотности состояний имеем кривую1), изоб-
раженную на рис. 3.
Важно заметить, что возникновение максиму-
ма зависимости химического потенциала от плотно-
p + q/2
p - q/2
p - q/2
сти непосредственно связано с корневой сингулярно-
p + q/2
стью плотности состояний. Если же вместо одномер-
ной плотности состояний использовать затравочную
плотность состояний, соответствующую двумерной
квадратной или трехмерной простой кубической и
ОЦК-решеткам, то система уравнений (21a), (21b)
p - q/2
p + q/2
p - q/2
p + q/2
не будет иметь решения. Расслоения на фазы нет!
Используя эту аналогию, можно предположить,
Рис. 4. Аномальные магнитные собственно-энергетические
части, записанные в линейном приближении при U =
что расслоение на фазы имеет место для ГЦК-ре-
шетки, поскольку ее плотность состояний на краю
зоны имеет логарифмическую плотность состояний.
Используя ее графическое представление, изобра-
женное на рис. 4, получим уравнения для опреде-
3.1. Магнитная фазовая диаграмма
ления коэффициентов C и D:
одномерной модели Хаббарда
{
}
Рассмотрим условие магнитного упорядочения
C = -T Gω(p-q/2)tp-q/2
C+Dtp+q/2
×
при заданном передаваемом импульсе q.
ω,p
Будем искать магнитную аномальную функцию
× Gω(p + q/2),
(22a)
Грина в следующем виде:
Σ(m)q(p) = C + Dtp+q/2.
{
}
D = -T
Gω(p - q/2)
C + Dtp+q/2
×
1) Соответствующие интегралы сводятся к эллиптическим
ω,p
[8], однако получаемые таким образом выражения имеют
× Gω(p + q/2).
(22b)
весьма громоздкий вид [9].
1188
ЖЭТФ, том 156, вып. 6 (12), 2019
О фазовой диаграмме одномерной модели Хаббарда
Здесь Gω(p) = 1/(iω - ftp + μ) — одночастичная
W2(q) =
функция Грина, tp — интеграл перескока, f = 1 -
- n/2-концевой множитель.
(cos(p) cos(q/2))2-(sin(p) sin(q/2))2
=
dp =
Требование разрешимости полученной системы
4πf sin(p)sin(q/2)
p=μ-q/2
уравнений дает условие возникновения магнитного
упорядочения:
(cos(q/2))2
1
1
=
dp -
×
sin(q/2)4πf
sin(p)
sin(q/2)4πf
1 = W(+)1(q) + W(-)1(q) - W2(q)W0(q)+
p=μ-q/2
+ W(+)1(q)W(-)1(q),
(23)
×
sin(p) dp.
(28)
где
p=μ-q/2
W0(q) = -T Gω(p + q/2)Gω(p - q/2),
(24a)
Здесь и ниже μ = arccos(μ/f),
ω,p
{
}
sin(μ+q/2)
ctg(p) dp = ln
,
sin(μ - q/2)
W±1(q) = -T tp±q/2 ×
p=μ-q/2
ω,p
× Gω(p + q/2)Gω(p - q/2),
(24b)
dp
=
sin(p)
W2(q) = -T tp+q/2tp-q/2 ×
p=μ-q/2
{
}
ω,p
1
[1-cos(μ+q/2)]
[1+ cos(μ-q/2)]
=
ln
(29)
× Gω(p + q/2)Gω(p - q/2).
(24c)
2
[1- cos(μ-q/2)] [1+ cos(μ+q/2)]
В общем случае поляризационный оператор
3.2. Точка возникновения ферромагнетизма
W0(q) имеет вид
в одномерной модели Хаббарда q = 0
nF (p + q/2) - nF (p - q/2)
W0(q) = -
(25)
Рассмотрим сначала область решений, когда
ft(p+q/2) -ft(p-q/2)
p
q
= 0, т.е. ферромагнитную область. При этом
W2W0 = W21.
При нулевой температуре
Таким образом, условие возникновения фазового
перехода:
W0(q) =
θ(μ - ft(p+q/2)) - θ(μ - ft(p-q/2))
=-
(26)
ctg(q/2)
ft(p+q/2) -ft(p-q/2)
1=
ctg(p) dp =
p
2πf
p=μ-q/2
В одномерном случае tp = t cos(p)
{
}
ctg(q/2)
sin(μ+ q/2)
=
ln
=
2πf
sin(μ - q/2)
{
}
1
dp
ctg(q/2)
sin(μ)cos(q/2)+cos(μ)sin(q/2)
W0(q) =
(27a)
=
ln
4πf sin(q/2)
sin(p)
2πf
sin(μ) cos(q/2)- cos(μ) sin(q/2)
p=μ-q/2
1
1
z
ctg(μ) =
,
(30)
Аналогичным образом
πf
πf
1 - (z)2
где z = μ/f.
ctg(q/2)
μ
W±1(q) =
ctg(p) dp ∓
,
(27b)
Решая это уравнение совместно с уравнением со-
4πf
2πf
стояния
p=μ-q/2
1
n = (2 - n)
(2arcsin(z) + π),
(31)
2π
ctg(q/2)
находим критическое значение химического потен-
W+1(q) + W-1(q) =
ctg(p) dp, (27c)
2πf
циала μ, а также критическую концентрацию: z =
p=μ-q/2
= 0.864, μ = 0.528, n = 0.908.
1189
Р. О. Зайцев
ЖЭТФ, том 156, вып. 6 (12), 2019
n
3.3. Точка возникновения
1.00
антиферромагнетизма в одномерной модели
0.98
Хаббарда q = π
При q = π имеем
0.94
1
1 + sin(μ)
W0(π) =
ln
0.90
=
4πf
1 - sin(μ)
1
1+
1-z2
0.86
=
ln
,
(32)
4πf
1-
1-z2
1
1
0.82
W2(π) =
sin(μ) =
1-z2,
2πf
2πf
0.78
где z = μ/f — безразмерный параметр, который
связан с плотностью с помощью уравнения состоя-
0.74
ния (31).
При этом оказывается, что критическое значение
0.70
химического потенциала μ близко к нулю. По этой
2/3
причине можно положить, что W1 = 0, а уравнение
0.2
0.6
1.0
1.4
1.8
2.2
2.6
для нахождения антиферромагнитной фазы имеет
q
вид 1 = W0(π)W2(π). Таким образом, имеем уравне-
Рис. 5. Область существования спиральной структуры, ко-
ние для нахождения критических значений z и n:
торая заключена между двумя кривыми
(
)2
n
1
1+
1-z2
f2 =
1-
=
1-z2 ln
,
(33)
2
8π2
1-
1-z2
ctg(q/2)
W±1(q) = -
×
4πf
{
}
1
(sin(μ+ q/2))
μ
n = (2 - n)
(2arcsin(z) + π).
× ln
,
(34b)
2π
(sin(μ - q/2))
2πf
Отсюда находим две критических точки, между ко-
торыми появляется антиферромагнитное упорядо-
чение: (n = 0.65925, z = -0.02607, μ = -0.01748)
(cos(q/2))2
W2(q) =
×
и (n = 0.67400, z = 0.02607, μ = 0.01729).
sin(q/2)8πf
}
{ (1- cos(μ+q/2))(1+cos(μ-q/2))
× ln
+
(1- cos(μ-q/2))(1+ cos(μ+q/2))
3.4. Условия возникновения спиральной
структуры q = 0
sin(μ)
+
,
(34c)
2πf
Удобно выразить переменную μ = arccos z через
плотность. Для этой цели находим z через n с помо-
где sin(μ) = sin(2π(1 - n)/(2 - n)), f = 1 - n/2.
щью уравнения состояния:
Далее находим соотношение между q и n из усло-
)
вия возникновения точки перехода:
(π(3n - 2)
z = sin
,
2(2 - n)
1 = W(+)1(q) + W(-)1(q) - W0(q)W2(q)+
[
(34)
(π(3n - 2))]
(1 - n)
(+)
μ = arccos sin
= 2π
+W1
(q)W(-)1(q).
(35)
2(2 - n)
(2 - n)
Как следует из рис. 5, спиральная антиферро-
В результате все три функции Wk(q) оказываются
магнитная структура может существовать в доста-
выраженными через плотность и q:
точно широкой области волновых векторов (от ну-
ля до q = π). При этом с уменьшением длины вол-
1
W0(q) =
×
ны происходит понижение концентрационной обла-
8πf sin(q/2)
{
}
сти существования вплоть то величины q = 2.88,
(|1- cos(μ+q/2)|)(|1+ cos(μ-q/2)|)
начиная с которой эта область становится экспонен-
× ln
,
(34a)
(|1- cos(μ-q/2)|)(|1+ cos(μ+q/2)|)
циально малой, и, наконец, исчезает при q = π.
1190
ЖЭТФ, том 156, вып. 6 (12), 2019
О фазовой диаграмме одномерной модели Хаббарда
q
q
- ctg
Π(c)p+p(p′′)cos(p)×
2
p,p′′
]
[θ(μ - ftp+q/2)) - θ(μ - ftp-q/2)
×
=
2 sin(p)
q
1
cos(p)
= ctg
dp
×
2
16π2
sin(p)
μ-q/2
π
dp′′
×
p + q/2
p - q/2
|cos(p′′)cos((p + p)/2) - μ/f|
0
Можно заметить, что результат интегрирования
приводит к логарифмически расходящемуся инте-
s=p+p
-p
+ s/2
гралу, но не дает дважды логарифмической рас-
ходимости по причине существенной анизотропии
двух пересекающихся поверхностей Ферми.
Таким образом, можно утверждать, что в реаль-
ной, анизотропной, модели Хаббарда влияние пар-
p
+ s/2
кетных диаграмм на магнитную фазовую диаграм-
p - q/2
p + q/2
му не является существенным, а фазовая диаграм-
ма определяется с помощью рис. 5 соответствующим
Рис. 6. Простейшая паркетная поправка к антиферромаг-
нитной вершинной части
однопетлевым приближениям.
Аналогичным образом, можно предположить,
что зависимость химического потенциала от концен-
Аналогичные результаты, относящиеся к одно-
трации (18), содержащая структурную неустойчи-
мерной модели, были получены в работe Дзялошин-
вость в одномерной модели, качественно определя-
ского - Ларкина [10]. Авторы получили достаточно
ется с помощью нуль-петлевого приближения.
общий результат, относящийся к модели Хаббарда:
при отрицательном знаке затравочной константы
ЛИТЕРАТУРА
взаимодействия система является сверхпроводящей,
1. Р. О. Зайцев, ЖЭТФ 152, 975 (2017).
а при положительном знаке, она оказывается анти-
ферромагнитной. Нетрудно проследить, что этот ре-
2. J. B. McGuire, J. Math. Phys. 6, 432 (1965); 7, 123
зультат справедлив при малой энергии Хаббарда U,
(1966).
в то время как наши результаты относятся к беско-
3. М. Годен, Волновая функция Бете, Мир, Москва
нечно большой, положительной энергии U.
(1987).
Полученная фазовая диаграмма обусловлена на-
4. E. Lieb and T. T. Wu, Phys. Rev. Lett. 20, 1445
личием амплитуды так называемого кинематическо-
(1968).
го взаимодействия [11], которое определяет также
5. В. М. Галицкий, ЖЭТФ 34, 151 (1958).
куперовскую петлю Πsc)(p), которая перенормиру-
ет вклад логарифмической антиферромагнитной по-
6. M. Gaudin, Thèse Univ. de Paris, Raport CEA.
правки (см. рис. 6). В одномерном случае и при
Saclay.: N 5, 3569 (1968).
T = 0 имеем
7. J. Hubbard, Proc. Roy. Soc. 281, 1386 (1964).
1
8. И. С. Градштейн, Н. М. Рыжик, Таблицы интегра-
Π(c)s(p) =
=
2|f cos(p′′-s/2)+f cos(p+s/2)-μ|
лов, рядов, сумм и произведений, Изд. 5-е, Наука,
1
Москва (1977).
=
2|f cos p cos(s/2) - μ|
9. G. Iwata, Natural Science Rep., Ochanomozu Univ.
20, 13 (1969).
Дальнейшее вычисление суммы по импульсу p
10. И. Е. Дзялошинский, А. И. Ларкин, ЖЭТФ 61, 61
связано с условием s = p + p. Запишем поэтому
(1971).
оставшуюся сумму по p и p′′ в следующем виде, со-
11. R. O. Zaitsev, Phys. Lett. A 134, 199 (1988).
держащем сингулярную сумму по p:
1191