Магнетокалоричний ефект у спін-1/2 одновимірній XX моделі з двома регулярнозмінними g-факторами
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe68.7.488Ключові слова:
одновимiрнi квантовi спiновi моделi, g-фактор, фермiонiзацiя Йордана–Вiґнера, магнетокалоричний ефект, квантовий фазовий перехiдАнотація
Дослiджено вплив неоднорiдностi g-факторiв, коли вони є регулярнозмiнними з перiодом два, на магнетокалоричний ефект у спiн-1/2 XX ланцюжку в поперечному магнiтному полi. За допомогою перетворення Йордана–Вiґнера задача зводиться до гамiльтонiана невзаємодiючих безспiнових фермiонiв i розв’язується точно. Проаналiзовано, як змiнюються iзоентропи та польовi залежностi параметра Грюнайзена зi змiною g2/g1. Основна увага придiляється низько-температурнiй областi. Показано вiдмiнностi магнетокалоричного ефекту у випадках, коли g-фактори мають однаковi та рiзнi знаки, а також коли один iз g-факторiв дорiвнює нулю.
Посилання
P. Bhatt, N. Thakur, M.D. Mukadam, S.S. Meena, S.M. Yusuf. One-dimensional single-chain molecular magnet with a cross-linked Π–Π coordination network [{CoII(Δ)CoII(Λ)}(ox)2(phen)2]n. J. Phys. Chem. C 118, 1864 (2014).
https://doi.org/10.1021/jp411302d
E. Coronado, M. Drillon, A. Fuertes, D. Beltran, A. Mosset, J. Galy. Structural and magnetic study of Ni2(EDTA)(H2O)4 · 2H2O. Alternating Land´e factors in a two-sublattice 1D system. J. Am. Chem. Soc. 108, 900 (1986).
https://doi.org/10.1021/ja00265a009
W.-G. Yin, X. Liu, A.M. Tsvelik, M.P.M. Dean, M.H. Upton, J. Kim, D. Casa, A. Said, T. Gog, T.F. Qi, G. Cao, J.P. Hill. Ferromagnetic exchange anisotropy from antiferromagnetic superexchange in the mixed 3d − 5d transitionmetal compound Sr3CuIrO6. Phys. Rev. Lett. 111, 057202 (2013).
W.-G. Yin, C.R. Roth, A.M. Tsvelik. Spin Frustration and a “Half Fire, Half Ice” Critical Point from Nonuniform g-Factors. [https://arxiv.org/abs/1510.00030].
F. Souza, M.L. Lyra, J. Streˇcka, M.S.S. Pereira. Magnetization processes and quantum entanglement in a spin-1/2 Ising–Heisenberg chain model of a heterotrimetallic Fe–Mn–Cu coordination polymer. J. Magn. Magn. Mater. 471, 423 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2018.09.121
W. Van den Heuvel, L.F. Chibotaru. Dysprosium-based experimental representatives of an Ising–Heisenberg chain and a decorated Ising ring. Phys. Rev. B 82, 174436 (2010).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.82.174436
M. Oshikawa, I. Affleck. Field-induced gap in S -1/2 antiferromagnetic chains. Phys. Rev. Lett. 79, 2883 (1997).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.79.2883
I. Affleck, M. Oshikawa. Field-induced gap in Cu benzoate and other S = 1/2 antiferromagnetic chains. Phys. Rev. B 60, 1038 (1999).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.60.1038
M. Kenzelmann, C. D. Batista, Y. Chen, C. Broholm, D.H. Reich, S. Park, Y. Qiu. S = 1/2 chain in a staggered field: High-energy bound-spinon state and the effects of a discrete lattice. Phys. Rev. B 71, 094411 (2005).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.094411
O. Derzhko. Jordan-Wigner fermionization for spin-1/2 systems in two dimensions: A brief review. J. Phys. Stud. 5, 49 (2001).
https://doi.org/10.30970/jps.05.49
E. Lieb, T. Schultz, D. Mattis. Two soluble models of an antiferromagnetic chain. Ann. Phys. (N.Y.) 16, 407 (1961).
https://doi.org/10.1016/0003-4916(61)90115-4
V.M. Kontorovich, V.M. Tsukernik. Magnetic properties of a spin array with two sublattices. Sov. Phys. JETP 26, 687 (1968).
T. Krokhmalskii, T. Verkholyak, O. Baran, V. Ohanyan, O. Derzhko. Spin-1/2 XX chain in a transverse field with regularly alternating g factors: Static and dynamic properties. Phys. Rev. B 102, 144403 (2020).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.144403
O. Derzhko, T. Krokhmalskii. Dynamic structure factor of the spin-1/2 transverse Ising chain. Phys. Rev. B 56, 11659 (1997).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.56.11659
O. Derzhko, T. Krokhmalskii, J. Stolze. Dynamics of the spin-1/2 isotropic XY chain in a transverse field. J. Phys. A 33, 3063 (2000).
https://doi.org/10.1088/0305-4470/33/16/301
J.P. de Lima, L.L. Gon¸calves, T.F.A. Alves. Anisotropic XY model on the inuniform periodic chain. Phys. Rev. B 75, 214406 (2007).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.214406
T. Antal, Z. R´acz, A. R´akos, G.M. Sch¨utz. Isotropic transverse XY chain with energy and magnetization currents. Phys. Rev. E 57, 5184 (1998).
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.57.5184
I. Titvinidze, G. Japaridze. Phase diagram of the spin S = 1/2 extended XY model. Eur. Phys. J. B 32, 383 (2003).
https://doi.org/10.1140/epjb/e2003-00113-8
A.A. Zvyagin. Quantum phase transitions in low-dimensional quantum spin systems with incommensurate magnetic structures. Phys. Rev. B 72, 064419 (2005).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.064419
P. Lou. Quantum phase transition in a solvable spin model. Phys. Rev. B 72, 064435 (2005).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.064435
T. Krokhmalskii, O. Derzhko, J. Stolze, T. Verkholyak. Dynamic properties of the spin-1/2 XY chain with threesite interactions. Phys. Rev. B 77, 174404 (2008).
https://doi.org/10.12693/APhysPolA.113.437
M. Topilko, T. Krokhmalskii, O. Derzhko, V. Ohanyan. Magnetocaloric effect in spin-1/2 XX chains with three-spin interactions. Eur. Phys. J. B 85, 278 (2012).
https://doi.org/10.1140/epjb/e2012-30359-8
O. Menchyshyn, V. Ohanyan, T. Verkholyak, T. Krokhmalskii, O. Derzhko. Magnetism-driven ferroelectricity in spin-1/2 XY chains. Phys. Rev. B 92, 184427 (2015).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.184427
O.R. Baran. Energy flux effect in the one-dimensional spin-1/2 XX model of magnetoelectric. Lagrange multiplier method. Ukr. J. Phys. 66, 890 (2021).
https://doi.org/10.15407/ujpe66.10.890
H. Katsura, N. Nagaosa, A.V. Balatsky. Spin current and magnetoelectric effect in noncollinear magnets. Phys. Rev. Lett. 95, 057205 (2005).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.057205
M. Brockmann, A. Kl¨umper, V. Ohanyan. Exact description of magnetoelectric effect in the spin-1/2 XXZ chain with Dzyaloshinskii-Moriya interaction. Phys. Rev. B 87, 054407 (2013).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.054407
O. Baran, V. Ohanyan, T. Verkholyak. Spin-1/2 XY chain magnetoelectric: Effect of zigzag geometry. Phys. Rev. B 98, 064415 (2018).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.98.064415
V. Ohanyan. Influence of XY anisotropy on a magnetoelectric effect in spin-1/2 XY chain in a transverse magnetic field. Condens. Matter Phys. 23, 43704 (2020).
https://doi.org/10.5488/CMP.23.43704
V. Eisler, Z. R´acz, F. van Wijland. Magnetization distribution in the transverse Ising chain with energy flux. Phys. Rev. E 67, 056129 (2003).
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.67.056129
J. Li, S. Lei. Thermodynamic properties of the spin-1/2 ferromagnetic Heisenberg chain with long-range interactions. Phys. Lett. A 372, 4086 (2008).
https://doi.org/10.1016/j.physleta.2008.03.005
J.-S. Caux, F.H.L. Essler, U. L¨ow. Dynamical structure factor of the anisotropic Heisenberg chain in a transverse field. Phys. Rev. B 68, 134431 (2003).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.68.134431
R. Hagemans, J.-S. Caux, U. L¨ow. Gapped anisotropic spin chains in a field. Phys. Rev. B 71, 014437 (2005).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.014437
H.H. Fu, K.L. Yao, Z.L. Liu. Thermodynamic properties of a spin-1/2 diamond chain as a model for a molecule-based ferrimagnet and the compound Cu3(CO3)2(OH)2. Phys. Rev. B 73, 104454 (2006).
T. Verkholyak, J. Streˇcka, M. Jaˇsˇcur, J. Richter. Magnetic properties of the quantum spin-1/2 XX diamond chain: the Jordan-Wigner approach. Eur. Phys. J. B 80, 433 (2011).
https://doi.org/10.1140/epjb/e2011-10681-5
Y.R. Wang. Ground state of the two-dimensional antiferromagnetic Heisenberg model studied using an extended Wigner-Jordon transformation. Phys. Rev. B 43, 3786 (1991).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.43.3786
E. Fradkin. Jordan-Wigner transformation for quantumspin systems in two dimensions and fractional statistics. Phys. Rev. Lett. 63, 322 (1989).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.63.322
A. Lopez, A.G. Rojo, E. Fradkin. Chern-Simons theory of the anisotropic quantum Heisenberg antiferromagnet on a square lattice. Phys. Rev. B 49, 15139 (1994).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.49.15139
O. Derzhko, T. Verkholyak, R. Schmidt, J. Richter. Square-lattice s = 1/2 XY model and the Jordan-Wigner fermions: The ground-state and thermodynamic properties. Physica A 320, 407 (2003).
https://doi.org/10.1016/S0378-4371(02)01595-9
O. Derzhko, T. Krokhmalskii. Dynamics of zz spin correlations in the square-lattice spin-1/2 isotropic XY model. Physica B 337, 357 (2003).
https://doi.org/10.1016/S0921-4526(03)00427-7
O. Derzhko, T. Krokhmalskii. Jordan-Wigner approach to dynamic correlations in 2D spin-1/2 models. Czech. J. Phys. 55, 601 (2005).
https://doi.org/10.1007/s10582-005-0064-4
O.R. Baran, T. M. Verholyak Ground state of twodimensional spin-1/2 J1 − J2 Heisenberg models in the Jordan-Wigner fermionization approach. J. Phys. Stud. 19, 4701 (2015).
https://doi.org/10.30970/jps.19.4701
O.R. Baran, T.M. Verkholyak. Two-dimensional spin-1/2 J1 −J′1−J2 Heisenberg model within Jordan-Wigner transformation. Ukr. J. Phys. 61, 597 (2016).
https://doi.org/10.15407/ujpe61.07.0597
T. Jolicœur, G. Misguich, S.M. Girvin. Magnetization process from Chern-Simons theory and its application to SrCu2(BO3)2. Progr. Theor. Phys. Suppl. 145, 76 (2002).
https://doi.org/10.1143/PTPS.145.76
D. Eliezer, G. Semenoff. Anyonization of lattice Chern-Simons theory. Ann. Phys. 217, 66 (1992).
https://doi.org/10.1016/0003-4916(92)90339-N
L. Canov´a, J. Streˇcka, T. Luˇcivjansk´y. Exact solution of the mixed spin-1/2 and spin-S Ising–Heisenberg diamond chain. Condens. Matter Phys. 12, 353 (2009).
https://doi.org/10.5488/CMP.12.3.353
C. Trippe, A. Honecker, A. Kl¨umper, V. Ohanyan. Exact calculation of the magnetocaloric effect in the spin-1/2 XXZ chain. Phys. Rev. B 81, 054402 (2010).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.054402
B. Wolf, A. Honecker, W. Hofstetter, U. Tutsch, M. Lang. Cooling through quantum criticality and many-body effects in condensed matter and cold gases. Int. J. Mod. Phys. B 28, 1430017 (2014).
https://doi.org/10.1142/S0217979214300175
E. Warburg. Magnetische Untersuchungen. Ann. Phys. (Leipzig) 13, 141 (1881).
https://doi.org/10.1002/andp.18812490510
W.F. Giauque, D.P. MacDougall. Attainment of temperatures below 1∘ absolute by demagnetization of Gd2(SO4)3 · 8H2O. Phys. Rev. 43, 768 (1933).
A.S. Oja, O.V. Lounasmaa. Nuclear magnetic ordering in simple metals at positive and negative nanokelvin temperatures. Rev. Mod. Phys. 69, 1 (1997).
https://doi.org/10.1103/RevModPhys.69.1
P. Strehlow, H. Nuzha, E. Bork. Construction of a nuclear cooling stage. J. Low. Temp. Phys. 147, 81 (2007).
https://doi.org/10.1007/s10909-006-9300-y
A.A. Zvyagin. Magnetic ordering of anisotropic magnets due to rotation of the magnetic field. Low Temp. Phys. 43, 1194 (2017).
https://doi.org/10.1063/1.5001296
K.A. Gschneidner Jr., V.K. Pecharsky, A.O. Tsokol. Recent developments in magnetocaloric materials. Rep. Prog. Phys. 68, 1479 (2005).
https://doi.org/10.1088/0034-4885/68/6/R04
A.M. Tishin, Y.I. Spichkin. The Magnetocaloric Effect and its Applications (Institute of Physics, 2003).
https://doi.org/10.1887/0750309229
S. Sachdev. Quantum Phase Transitions (Cambridge University Press, 2011).
https://doi.org/10.1017/CBO9780511973765
B. Wolf, Y.K. Tsui, D. Jaiswal-Nagar, U. Tutsch, A. Honecker, K. Removi'c-Langer, G. Hofmann, A. Prokofiev, W. Assmus, G. Donath, M. Lang. Magnetocaloric effect and magnetic cooling near a field-induced quantum-critical point. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108, 6862 (2011).
https://doi.org/10.1073/pnas.1017047108
M.E. Zhitomirsky, A. Honecker. Magnetocaloric effect in one-dimensional antiferromagnets. J. Stat. Mech.: Theor. Exp. 2004, P07012 (2004).
https://doi.org/10.1088/1742-5468/2004/07/P07012
J. Streˇcka, O. Rojas, T. Verkholyak, M.L. Lyra. Magnetization process, bipartite entanglement, and enhanced magnetocaloric effect of the exactly solved spin-1/2 Ising–Heisenberg tetrahedral chain. Phys. Rev. E 89, 022143 (2014).
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.89.022143
L. G´alisov´a, J. Streˇcka. Magnetic Gr¨uneisen parameter and magnetocaloric properties of a coupled spin–electron double-tetrahedral chain. Phys. Lett. A 379, 2474 (2015).
https://doi.org/10.1016/j.physleta.2015.07.007
L. G´alisov´a, J. Streˇcka. Vigorous thermal excitations in a double-tetrahedral chain of localized Ising spins and mobile electrons mimic a temperature-driven first-order phase transition. Phys. Rev. E 91, 022134 (2015).
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.91.022134
L. G´alisov´a. Magnetocaloric effect in the symmetric spin-1/2 diamond chain with different Land´e g-factors of the Ising and Heisenberg spins. Acta Mech. Slovac. 19, 46 (2015).
https://doi.org/10.21496/ams.2015.023
H.A. Zad, N. Ananikian, M. Jaˇsˇcur. Single-ion anisotropy effects on the demagnetization process of the alternating weak-rung interacting mixed spin-(1/2, 1) Ising–Heisenberg double saw-tooth ladders. Phys. Scripta 95, 095702 (2020).
https://doi.org/10.1088/1402-4896/aba663
L. G´alisov´a. Reentrant phenomenon and inverse magnetocaloric effect in a generalized spin-(1/2, s) Fisher’s superexchange antiferromagnet. J. Phys.: Condens. Matter 28, 476005 (2016).
https://doi.org/10.1088/0953-8984/28/47/476005
L. G´alisov´a, J. Streˇcka. Magnetic and magnetocaloric properties of the exactly solvable mixed-spin Ising model on a decorated triangular lattice in a magnetic field. Physica E 99, 244 (2018).
https://doi.org/10.1016/j.physe.2018.01.017
J. Streˇcka, K. Karl’ov´a. Weak singularities of the isothermal entropy change as the smoking gun evidence of phase transitions of mixed-spin Ising model on a decorated square lattice in transverse field. Entropy 23, 1533 (2021).
https://doi.org/10.3390/e23111533
L. Zhu, M. Garst, A. Rosch, Q. Si. Universally diverging Gr¨uneisen parameter and the magnetocaloric effect close to quantum critical points. Phys. Rev. Lett. 91, 066404 (2003).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.91.066404
M. Garst, A. Rosch. Sign change of the Gr¨uneisen parameter and magnetocaloric effect near quantum critical points. Phys. Rev. B 72, 205129 (2005).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.205129
T. Zajarniuk, A. Szewczyk, P. Wi'sniewski, M.U. Gutowska, R. Puzniak, H. Szymczak, I. Gudim, V.A. Bedarev, M.I. Pashchenko, P. Tomczak, W. Szuszkiewicz. Quantum versus classical nature of the low-temperature magnetic phase transition in TbAl3(BO3)4. Phys. Rev. B 105, 094418 (2022).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.094418
A.P. Moina. Negative/positive electrocaloric effect in antiferroelectric squaric acid. J. Appl. Phys. 133, 094101 (2023).
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
