Spin and charge currents through contacted quantum spin chains: A time-dependent density matrix renormalization group study
Final Report Abstract
Das Projekt widmet sich der Untersuchung von (kontaktierten) Quantenspinketten. Im Fokus stehen dabei (i) die Grundzustandseigenschaften [insbesondere im Hinblick auf die Ausbildung symmetrie-geschützter topologischer (SPT) Phasen, die Existenz von Quantenphasenübergängen (QPT) und die damit verbundene Kritikalität des Systems], (ii) die Natur der Anregungen in Abhängigkeit von Spinlänge, Stärke und Anisotropie der Wechselwirkung und möglicher Dimerisierung der Quantenspinkette, (iii) der Spin- und Ladungstransport bei Kontaktierung, in Reaktion auf äußere Felder, durch das Gesamtsystem. Um näherungsfreie Ergebnisse - auch im thermodynamischen Grenzfall und bei endlichen Temperaturen - zu erhalten, setzen wir numerisch exakte Verfahren ein; maßgeblich die (zeitabhängige) Dichtematrix-Renormierungsgruppe in Matrixprodukt-Zustand-Formulierung, teilweise kombiniert mit Block-Lanczos und Baum-Tensor-Netzwerk Techniken. In der Nähe der QPT erfolgt eine feldtheoretische Analyse des kritischen Verhaltens. Gezeigt werden konnte u.a. die Existenz einer symmetrie-geschützten topologisch nicht-trivialen Haldane Phase für eine dimerisierte Spin-1 Kette mit Single-Ion-Anisotropie, separiert durch Gaussian bzw. Ising QPT von der „Large-D“ bzw. antiferromagnetischen Phase, sowie das Auftreten eines trikritischen Ising-Punktes charakterisiert durch eine zentrale Ladung 7/10. Ein hinsichtlich topologischer Eigenschaften und Kritikalität ähnliches Verhalten wurde für das auch erweiterte Bose-Hubbard und Fermi-Hubbard-Modell mit Dimerisierung, sowie – interessanterweise – für den anyonischen Haldane-Isolator in einer Dimension gefunden. Im Hinblick auf zukünftige Neutronen-Streuexperimenten wurde der dynamische Strukturfaktor und die Spinleitfähigkeit für Spin-1 und Spin-2 Ketten mit „On-Site“ Anisotropie berechnet. Für letzteres System, das eine effektive Beschreibung spinbehafteter Bosonen in optischen Gittern liefert, treten neben der ferromagnetischen Phase, dimerisierte und trimerisierte Phasen auf. Insbesondere in der dimerisierten Phase unterscheidet sich der Spinstrukturfaktor signifikant für Parameter nahe des SU(5)-symmetrischen Punktes und solchen tiefer in der Phase. In der trimerisierten Phase findet man lückenlose Anregungen nahe der Wellenvektoren k=±2π/3. Für die Diskussion der Spinleitfähigkeit betrachteten wir eine Spin-1/2 XXZ Kette, die einen idealen Spinleiter bei verschwindender Anregungslücke verkörpert, in einer Konfiguration mit metallischen Kontakten, unter Einfluss eines äußeren Magnetfeldes. Generell reduziert ein derartiges „Interface“ die Leitfähigkeit bei verschwindender Temperatur. Für spezielle System-Kontakt Kopplungen weist die Leitfähigkeit eine Reihe von Resonanzen in Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke auf, wobei für die Spin-1/2 nicht aber für die Spin-1 Kette leitende Fixpunkte realisiert werden können (einem Luttinger-Liquid Verhalten entsprechend). Für die Haldane-Phase der Spin-1 Kette untersuchten wir wie der Spintransport durch Spin-1/2 Kantenzustände beeinflusst wird und antizipierten bei der Interpretation der Resultate die Physik des „Two-Impurity“ Kondo Problems. Untersucht wurde des Weiteren die Interkonversion von Spin- und Ladungsfreiheitsgraden; hierzu wurde ein senkrecht zur Ebene polarizierter Spinstrom der aus einer antiferromagnetischen Spin-1/2 Heisenberg Spinkette in ein Rasha-System auf dem Quadratgitter injiziert wurde betrachtet, wobei - im Gegensatz zum Spin-Hall-Effekt - der totale Drehimpuls erhalten bleibt. Gezeigt wurde die Erzeugung eines Ladungstrom-Vortex im Rashba-Systems, dessen Struktur und Verhalten im Bild einer semiklassischen (lokalen) Spininjektion interpretiert werden kann.
Publications
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Anyonic Haldane Insulator in One Dimension. Physical Review Letters, 118(12).
Lange, Florian; Ejima, Satoshi & Fehske, Holger
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Exotic criticality in the dimerized spin-1 $XXZ$ chain with single-ion anisotropy. SciPost Physics, 5(6).
Ejima, Satoshi; Yamaguchi, Tomoki; Essler, Fabian; Lange, Florian; Ohta, Yukinori & Fehske, Holger
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Finite-temperature dynamic structure factor of the spin-1 XXZ chain with single-ion anisotropy. Physical Review B, 97(6).
Lange, Florian; Ejima, Satoshi & Fehske, Holger
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Spin transport through a spin- 12 XXZ chain contacted to fermionic leads. Physical Review B, 97(24).
Lange, Florian; Ejima, Satoshi; Shirakawa, Tomonori; Yunoki, Seiji & Fehske, Holger
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Driving XXZ spin chains: Magnetic-field and boundary effects. EPL (Europhysics Letters), 125(1), 17001.
Lange, F.; Ejima, S. & Fehske, H.
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Dynamic response of spin-2 bosons in one-dimensional optical lattices. Physical Review A, 100(2).
Lange, Florian; Ejima, Satoshi & Fehske, Holger
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Block-Lanczos Density-Matrix Renormalization-Group Approach to Spin Transport in Heisenberg Chains Coupled to Leads. Journal of the Physical Society of Japan, 89(4), 044601.
Lange, Florian; Ejima, Satoshi; Shirakawa, Tomonori; Yunoki, Seiji & Fehske, Holger
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Generation of Current Vortex by Spin Current in Rashba Systems. Physical Review Letters, 126(15).
Lange, Florian; Ejima, Satoshi; Fujimoto, Junji; Shirakawa, Tomonori; Fehske, Holger; Yunoki, Seiji & Maekawa, Sadamichi
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Quantum criticality in dimerised anisotropic spin-1 chains. The European Physical Journal Special Topics, 230(4), 1009-1012.
Ejima, Satoshi; Lange, Florian & Fehske, Holger
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Spin–charge conversion and current vortex in spin–orbit coupled systems. APL Materials, 9(6).
Fujimoto, Junji; Lange, Florian; Ejima, Satoshi; Shirakawa, Tomonori; Fehske, Holger; Yunoki, Seiji & Maekawa, Sadamichi
