低次元量子反強磁性系の低エネルギー励起状態の関与する光散乱スペクトルの理論計算

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12640366
• 研究機関: 千葉大学
• 研究代表者: 夏目 雄平 千葉大学, 自然科学研究科, 教授 (80114312)
• 研究分担者: 中山 隆史 千葉大学, 理学部, 教授 (70189075)
• キーワード: 磁気ラマン散乱 / はしご格子 / 反強磁性体 / 交換散乱機構 / 量子スピン / 数値対角化計算 / 摂動論 / スピンギャップ

研究概要

量子反強磁性体としての低次元系は極めて特異な性質を持っており、基底状態に関する研究例は多い。しかし、励起状態が関与する光学的性質の研究例は少ない。ここでは理論面から、低次元系を対象に,光学的性質の中でも反強磁性体特有な交換散乱機構による磁気ラマンスペクトルについて研究した。特に1次元系と2次元系を結ぶものとしてはしご系に注目した。これは対応する実験がCaV_2O_5で行われており、実際、極めて非対称な形状で、低エネルギー側に大きくつきだした幅の広い、磁気ラマンスペクトルが得られていたが、その起因は不明であった。ここで計算を行ったモデルとしては2本の足を持つはしごで横木のボンドの反強磁性交換相互作用Jrが足のボンドの反強磁性交換相互作用Jcよりも強い場合を扱う。これは実際の結晶で推測されている。また量子性の強いスピンの大きさ1/2でHeisenberg型交換相互作用が最近接に働く系を考えている。
本研究によって、基底状態を横木にsinglet dimerが並んだ状態とし、ラマン活性な励起状態を横木に2つのtriplet dimerがrung上に並んだもので表されることがわかった。その場合、交換散乱の特徴から、triplet dimer対が隣の横木にある場合が最も強い散乱強度を得ることがわかった。実際、2つのtriplet dimerがrung上に並んだもの全体に関しての状態密度はエネルギーに対して対称であるにもかかわらず、基底状態から励起状態への遷移要素を考慮すると低エネルギー側の方がtriplet dimer対が隣の横木にあるために全体の強度を稼ぐことになる。これが、実験で得られた非対称なスペクトル形状の起源であることが明かになった。
この解析によって、量子性の強い低次元反強磁性系においては、磁気ラマン散乱によって、励起状態の構造、あるいはスピンギャプの起源を調べる有力な方法が与えられたことになる。

研究成果

• [文献書誌] Shinchiro Tada, Yuhei Natsume, Toshihiko Suzuki: "Numerical Study of Magnetic Raman Scattering Spectra in Ladder Antiferromagnetics-Exchange Scattering from the Singlet Ground State-"Journal of the Physical Society of Japan. Vol.71,No.8. 2443-2447 (2001)
• [文献書誌] 夏目雄平, 多田晋一郎, 鈴木敏彦: "はしご系量子反強磁性体の励起状態は交換散乱スペクトルでどこまでわかるか-CaV_2O_5の磁気ラマン散乱-"光物性研究会論文集. Vol.12. 98-101 (2001)
• [文献書誌] Kensuke Doi, Yuhei Natsume: "Calculation of Bose-Einstein Condensations and Characteristic Features of Fluctuations for Systems with and without a Vortex in Two-Component Gases"Journal of the Physical Society of Japan. Vol.70,No.1. 167-172 (2001)
• [文献書誌] Yuhei Natsume, Shinchiro Tada, Toshihiko Suzuki: "The Origin of the asymmetric shape for exchange-scattering peak of 2Δg in the ladder antiferoomagnet CaV_2O_5 with the singlet ground"Journal of Physics and Chemistry of Solids. in press by Elsevier(印刷中). (2002)
• [文献書誌] Yuhei Natsume, Shinchiro Tada, Toshihiko Suzuki: "Expression of Excited States by Triplet Dimers in Heisenberg Antiferoomagnetic Ladders -Analysis of Magnetic Raman Spectra-"Progress of Theoretical Physics. (in press)(印刷中). (2002)
• [文献書誌] 夏目雄平, 小川建吾: "基礎物理学シリーズ 第13巻 計算物理I"朝倉書店. 165 (2002)