Αγωγιμότητες μαγνητικών αλυσίδων με μαγνητικές προσμίξεις

 
This item is provided by the institution :
University of Crete
Repository :
E-Locus Institutional Repository
see the original item page
in the repository's web site and access all digital files if the item*
share



PhD thesis (EN)

2010 (EN)
Conductivities of magnetic chains with (non-)magnetic impurities
Αγωγιμότητες μαγνητικών αλυσίδων με μαγνητικές προσμίξεις

Μεταβιτσιάδης, Αλέξανδρος
Metavitsiadis, Alexandros

Ζώτος, Ξενοφών

Το πεδίο των κβαντικών συστημάτων μειωμένων διαστάσεων παραμένει ενεργό για δεκαετίες τόσο για θεωρητική όσο και για πειραματική έρευνα. Η παρούσα διατριβή είναι μία συμβολή στη θεωρητική μελέτη των μονοδιάστατων κβαντικών μαγνητικών συστημάτων. Παράλληλα με την παρούσα θεωρητική μελέτη, διάφορες πειραματικές ομάδες σε χώρες του εξωτερικού δουλεύουν στην κατασκευή πρωτοποριακών υλικών, ισχυρά ανισοτροπικών, ώστε να μπορούν να θεωρηθούν οιονεί μονοδιάστατα. Επιπλέον, τα υλικά αυτά, λόγω των ασυνήθιστων ιδιοτήτων μεταφοράς που εμφανίζουν θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε έναν μεγάλο αριθμό από τεχνολογικές εφαρμογές. Στην παρούσα μελέτη επικεντρωνόμαστε στις ιδιότητες μεταφοράς των μονοδιάστατων κβαντικών μαγνητών που περιγράφονται από την περίφημη Χαμιλτονιανή του Heisenberg. Στο χωρίς ατέλειες, σπιν—1/2 μοντέλο του Heisenberg, το οποίο είναι ένα ολοκληρώσιμο μοντέλο, η μεταφορά ενέργειας είναι πολύ ιδιαίτερη. Το ρεύμα ενέργειας είναι μία διατηρήσιμη ποσότητα οδηγώντας σε βαλλιστική (μη διαχυτική) μεταφορά ενέργειας. Χρησιμοποιώντας κατά κύριο λόγο αριθμητικές μεθόδους θα προσπαθήσουμε να φωτίσουμε διάφορες πτυχές του προβλήματος όπου ένα ολοκληρώσιμο σύστημα διαταράσσεται από διαφορετικές ατέλειες. Αρχικά συζητάμε την επίδραση στατικής αταξίας που είναι υπεύθυνη για την εμφάνιση εντοπισμού Anderson. Σε ένα σύστημα πολλών σωμάτων, οι αλληλεπιδράσεις μπορούν να απεντοπίσουν τις εντοπισμένες καταστάσεις οδηγώντας το σύστημα σε μία κατάσταση όπου μπορεί να εμφανιστεί διάχυση. Το πιο βασικό συμπέρασμα είναι ότι η συνεχής συνιστώσα της αγωγιμότητας (το όριο που η συχνότητα τείνει στο μηδέν) είναι πεπερασμένη για οποιαδήποτε πεπερασμένη θερμοκρασία. Αντιθέτως, σε μηδενική θερμοκρασία για το αλληλεπιδρών σύστημα ή για οποιαδήποτε θερμοκρασία για το μη αλληλεπιδρών σύστημα τόσο η αγωγιμότητα σπιν όσο και η θερμική αγωγιμότητα μηδενίζονται στο όριο ισχυρής αταξίας. Στην συνέχεια μελετάμε την περίπτωση μίας μεμονωμένης μη μαγνητικής ατέλειας και το αν αυτή η διαταραχή είναι ικανή να σπάσει την ολοκληρωσιμότητα και να οδηγήσει σε κανονικές ιδιότητες μεταφοράς. Ως κριτήρια χρησιμοποιούμε τη στατιστική των ενεργειακών επιπέδων και την ακαμψία σπιν. Επιπλέον, προκύπτει ότι η θερμική αγωγιμότητα είναι ένα μοναδικό εργαλείο στα χέρια μας, για την περίπτωση της μεμονωμένης ατέλειας, αφού ο μόνος μηχανισμός σκέδασης για την μεταφορά ενέργειας εισέρχεται από την ατέλεια. Δείχνουμε ότι μία ατέλεια σε ένα σύστημα πολλών σωματιδίων καθιστά τη βαλλιστική συνιστώσα μεταφοράς σε υψηλές ενέργειες διαχυτική, σε αντίθεση με το μη αλληλεπιδρών σύστημα όπου το μόνο αποτέλεσμα είναι η μείωση της ακαμψίας σπιν. Τέλος, μελετάμε την περίπτωση μίας μαγνητικής πρόσμιξης στη καθαρή αλυσίδα είτε τοποθετημένη έξω από την αλυσίδα είτε μέσα σε αυτήν. Στην πρώτη περίπτωση βρίσκουμε μία γενική συμπεριφορά με το μήκος της αλυσίδας και την ισχύ της διαταραχής. Από την άλλη πλευρά, όταν η πρόσμιξη είναι τοποθετημένη μέσα στην αλυσίδα αποτελεί μία πολύ πιο δραστική διαταραχή και κυριαρχεί εύκολα όσον αφορά στις ιδιότητες μεταφοράς. Στην περίπτωση αυτή χρήσιμα συμπεράσματα μπορούν να εξαχθούν παίρνοντας το όριο ισχυρής σύζευξης. Όσον αφορά τώρα στον ρόλο της θερμοκρασίας στις περιπτώσεις της μεμονωμένης πρόσμιξης ερευνούμε φαινόμενα όπου είτε η αλυσίδα θωρακίζει την πρόσμιξη ανεξάρτητα από την ισχύ της και συμπεριφέρεται σαν να μην υπήρχε, είτε η πρόσμιξη κόβει την αλυσίδα ανεξάρτητα από το πόσο μικρή διαταραχή αποτελεί. Πιο συγκεκριμένα, μειώνοντας τη θερμοκρασία βρίσκουμε ότι η αλυσίδα κόβεται για αντισιδηρομαγνητική ανισοτροπία στον άξονα z για όλες τις μεμονωμένες προσμίξεις που μελετήσαμε—ένας ασθενής δεσμός, ένα τοπικό πεδίο, μία μαγνητική πρόσμιξη μέσα ή έξω από την αλυσίδα. Αντίθετα, για σιδηρομαγνητική ανισοτροπία η αλυσίδα θωρακίζει τις προσμίξεις και στο όριο χαμηλών θερμοκρασιών τείνει να συμπεριφέρεται σαν μία αλυσίδα χωρίς διαταραχές. Επιπλέον, παρατηρούμε την θωράκιση δύο συνεχόμενων ασθενών δεσμών καθώς μειώνουμε την θερμοκρασία ακόμα και για αντισιδηρομαγνητική ανισοτροπία. (EL)
The field of low dimensional quantum systems remains active for decades for both theoretical and experimental research. This work is a contribution to the theoretical study of one-dimensional quantum magnets. In parallel with our theoretical study, several experimental teams all around the globe work to fabricate novel materials which are highly anisotropic and can be considered as good realizations of one-dimensional systems. Moreover, the unconventional transport properties of these systems makes them very promising candidates for technological applications. We focus on the transport properties of one-dimensional quantum magnets described by the celebrated anisotropic Heisenberg Hamiltonian. In the pure spin- 1/2 Heisenberg model, which is an integrable model, heat transport is really unique since the energy current is a constant of motion leading to ballistic heat transport. Thus, the interplay of integrability and defects is theoretically challenging and we attempt to shed light on various aspects of this issue employing primarily numerical diagonalization techniques. First, we discuss the effect of static disorder accounting for the onset of Anderson localization. In a many body system interactions can delocalize the localized states leading the system to a diffusive state. The main conclusion is that the dc transport of the many body system is finite for any finite temperature. On the contrary, at zero temperature for the interacting system or at any temperature for the non-interacting one, spin and thermal dc conductivities vanish in the strong disorder regime. Second, we consider the more subtle effect of a single non-magnetic impurity and whether this perturbation is capable to break the integrability of the system. We use as criteria for the breaking of integrability the level statistics of the system and the spin stiffness in the easy plane regime. Moreover, for a single impurity case it turns out that the thermal conductivity is a unique probe since the only scattering mechanism for the thermal transport comes from the impurity. We show that a single impurity in a many body system renders ballistic transport incoherent at high energies in contrast with the non-interacting case where the impurity only renormalizes the charge stiffness. Third, is the effect of a single magnetic impurity of spin S disturbing the spin- 1 2 Heisenberg chain. We consider the impurity to be located either out of the chain or to be embedded to it. In the former case, we find a universal scaling with both the lattice size, and the perturbation strength. On the other hand, the embedded impurity in the chain is a severe perturbation and dominates easily the behavior of the transport quantities. Useful conclusions can be obtained by analytical arguments in the strong host-impurity coupling limit. Last, as far as the temperature dependence is concerned for the single impurity cases, we seek cutting-healing phenomena. More particularly, for decreasing temperature we find that the chain is (cut)healed for (anti)ferromagnetic easy axis anisotropy for all types of single impurities|single weak link, local field, magnetic impurity out of the chain, magnetic impurity embedded in the chain. In the same concept is the (cutting)healing of the isotropic Heisenberg chain with decreasing temperature in the presence of (a single)two consecutive weak links. (EN)

Τύπος Εργασίας--Διδακτορικές διατριβές
text

Θεωρία μεταφοράς
Θερμική αγωγιμότητα
Transport theory
Thermal Conductivity
Μαγνητικές αλυσίδες

Πανεπιστήμιο Κρήτης (EL)
University of Crete (EN)

English

2010-07-14


Σχολή/Τμήμα--Σχολή Θετικών και Τεχνολογικών Επιστημών--Τμήμα Φυσικής--Διδακτορικές διατριβές



*Institutions are responsible for keeping their URLs functional (digital file, item page in repository site)