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在强关联量子体系中,反铁磁性(antiferromagnetism)通常被认为与电子间的强库仑排斥作用紧密相关,比如哈伯德模型描述的莫特绝缘体中的反铁磁序;但电子和声子的耦合在量子材料中普遍存在并能调制电子间有效的相互作用,比如电声耦合产生的电子间的有效吸引相互作用是超导电性或电荷密度波的一个重要微观机制。然而,迄今为止尚没有研究表明反铁磁序可以由电子和声子的耦合直接产生。近年来,越来越多的实验和理论研究表明电声子耦合对理解强关联材料中的高温超导等物理现象也十分重要,而后者常常与相关的量子材料在未掺杂时的反铁磁序有关,因此,探寻反铁磁序与电声子耦合的内在联系具有重要的意义。

近日,清华大学高等研究院教授姚宏与高等研究院博士生蔡璕、中国科学院物理研究所特聘研究员李自翔在《Physical Review Letters》发文揭示了一种由电声子耦合诱导的反铁磁序的微观机制。他们采用大规模无符号问题的量子蒙特卡洛方法研究了一种典型的电声子模型,即二维的Su-Schrieffer-Heeger (SSH)模型,并得到了其在半满填充时的基态相图,如图a所示。他们的研究清晰地表明,电声子耦合在相当大的电声耦合强度范围内可以诱导出反铁磁序,这是首次计算发现电声子耦合可以诱导反铁磁序。

上述研究人员进一步提出SSH型电声子耦合产生反铁磁序的理论机制,即SSH电声相互作用在耦合较弱时产生反铁磁序可以被理解为一个二阶微扰过程:SSH型的声子可以直接调制电子在近邻格点之间的跃迁振幅,其二阶微扰过程相当于在近邻格点之间产生有效的反铁磁自旋交换作用,如图b所示,这是电声耦合诱导反铁磁序的微观机制。这个电声耦合诱导反铁磁序的机制与诸如哈伯德模型中电子库仑排斥作用产生的反铁磁序有定性上的不同,是一种全新的机制。这一发现对于研究高温超导体等强关联材料中电子关联与电声耦合之间复杂的相互影响提供了一种新的启示。

该研究成果以“Antiferromagnetism Induced by Bond Su-Schrieffer-Heeger Electron-Phonon Coupling: A Quantum Monte Carlo Study”为题,2021年12月10日发表于学术期刊《Physical Review Letters》 [Phys. Rev. Lett. 127, 247203 (2021)]。论文的通讯作者为清华大学高等研究院教授姚宏,第一作者和第二作者分别为姚宏教授指导的博士生蔡璕(2021年博士毕业,现为中科院物理所博士后)和中科院物理所特聘研究员李自翔。该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部重点研发项目、中科院先导项目、北京市自然科学基金、北京市科委和美国Gordon and Betty Moore基金等的支持。

文章全文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.247203

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