Ground state phase diagram of a spin-1/2 distorted diamond chain

Abstract

Recent experimental studies on the trimerized spin-1/2 chain system Cu3Cl6(H20)2-2H8C4SO2 have confirmed that the magnetic susceptibility goes down to zero in the limit of the absolute zero temperature and the magnetization increases from zero at a finite critical magnetic field. In the system Cu3Cl6(H20)2-2H8C4SO2 , spin-1/2 Cu(+2) trimers stack to form one dimensional chain which are separated with each other by large molecules H8C4SO2. As discussed by Ishii et al., this chain, that is called as the distorted diamond chain, is well modeled by the Hamiltonian with coupling constants J(sub 1), J(sub 2), and J(sub 3), in which the spins vector-S(sub 3l-1), vector-S(sub 3l) and vector-S(sub 3l+1) form a trimer, where vector-S(sub l) is the spin-1/2 operator at the l-th site. The purpose of this article is to review the results of the recent studies on the ground-state phase diagram of the system described by the above Hamiltonian. In this study, the ground state phase diagram of this system was obtained as a function of the coupling constants under periodic boundary conditions, and the system behavior at the ground state was numerically investigated. It was shown that the ground state phase diagram of the distorted diamond chain is composed of a Ferromagnetic (F) state, the Dimer (D) state and the Spin Fluid (SF) state. Furthermore, the F-D and F-SF transitions are the first order phase transitions while the D-SF transition is the BKT (Berezinskii-Kosterlitz-Thouless) type. The critical values of the coupling constants for each transition were numerically estimated, and the region that explains the experimental results was identified in the ground state phase diagram. The ground state of the trimerized spin-1/2 chain system is expressed as the phase diagram in the coupling constant J(sub 2)-J(sub 3) space. The phase transition observed in the experimental results is successfully explained.

最近、3量体スピン1/2鎖系として知られるCu3Cl6(H20)2・2H8C4SO2についての実験は、絶対零度付近で磁化率が零になり、磁化は0から有限の臨界磁場下で増加することを確かめている。Cu3Cl6(H20)2・2H8C4SO2の系は、スピン1/2のCU(+2)3量体が、大きな分子H8C4SO2により互いに分離されるようにして重なり1次元鎖を形成している。Ishiiらにより論じられたように、歪んだダイアモンド鎖と呼ばれるこの鎖は、ベクトルS(sub l)をlサイトにおけるスピン1/2の演算子とすると、ベクトルS(sub 3l-1)、ベクトルS(sub 3l)およびベクトルS(sub 3l+1)が3量体をなし、結合定数J(sub 1)、J(sub 2), およびJ(sub 3)をもつハミルトニアンにより良くモデル化できる。本稿の目的は、上述のハミルトニアンにより記述した系の基底状態の相図についての最近の研究結果をレビューすることである。本研究では、この系の基底状態相図を周期的境界条件のもとに結合定数の関数として求め、基底状態における系の振る舞いを数値計算を行って調べた。この歪んだダイアモンド鎖の基底状態相図は、フェリ磁性相(F)、2量体相(D)およびスピン流体相(SF)の3つの相で表されることを示した。さらに、F-D間とF-SF間の遷移が1次の相転移なのに対し、D-SF間の遷移は、BKT(ベレジンスキー・コスタリッツ・サウレス)型であることを示した。各遷移に対する結合定数の臨界値を数値計算により評価し、上記実験結果を説明する領域を相図内に特定した。以上、3量体スピン1/2鎖系の基底状態を結合定数J(sub 2)-J(sub 3)空間の相図として表し、実験結果に見られる相転移を説明することに成功した。