Numerical study of multiple band effects in itinerant ferromagnetism

Abstract

For the investigation of on-site Hund coupling that creates indirect ferromagnetic coupling between conduction electrons of orbital degeneracy, recently developed Density Matrix Renormalization (DMR) method in one dimension and dynamical mean field theory in infinite dimensions were applied to a doubly degenerate Hubbard model. For infinite dimensions, the model was reduced to an effective one-site problem. The magnetic susceptibility studied by quantum Monte Carlo technique showed increase at low temperatures, but no appearance of ferromagnetism. The ground state properties were studied by using the exact diagonalization method. The effective one-site problem approximated by a two-channel impurity model was numerically solved by Lanczos method, and the ground state phase diagram for n = 0.8, 1.0 and 1.2 was obtained. For the quarter filling (n = 1), two magnetically ordered phase, a ferromagnetic phase with alternating orbital order and an antiferromagnetic phase with ferromagnetic orbital order, appeared. In the electron-doped case (n = 1.2), metallic ferromagnetic phase without orbital order was found. In the hole-doped case (n = 0.8), none of magnetic order was found. Above results show that the orbital degeneracy is effective to cause ferromagnetism, and so-called double exchange mechanism is considered to be responsible for the difference between electron- and hole-doping. For one dimension, the model was studied by DMR method. Results for one dimension up to 12 sites show the existence of ferromagnetic phase for the case close to quarter filling.

伝導電子間の間接的強磁性結合を生ずる縮退軌道のオンサイト・フント結合について検討するために、最近開発された密度行列繰り込み法(DMR)を1次元で、動力学的平均場理論を無限次元で、2重縮退ハバードモデルに適用した。無限次元について、このモデルを有効1サイト問題に帰着した。量子モンテカルロ法により調べた磁化率は低温で増大するが、強磁性は出現しなかった。厳密な対角化法により基底状態の性質を調べた。2チャネル不純物モデルで近似した有効1サイト問題をLanczos法により数値計算し、n=0.8、1.0および1.2についての基底状態相図を得た。4分の1充填の場合、交互軌道秩序相と強磁性的軌道秩序を持った反強磁性相の2つの磁気秩序相を得た。電子ドープの場合、軌道秩序を持たない金属強磁性相が出現した。正孔ドープの場合、いかなる磁気秩序もなかった。これらの結果は、軌道縮退が強磁性を生じるのに有効であり、いわゆる2重交換機構が、電子ドープと正孔ドープの違いに関与していると考えられる。1次元について、このモデルをDMR法により調べた。サイト数12までの1次元の結果は、1/4充填近くに強磁性相が存在することを示した。