Magnetic Field Effects in Low-Dimensional Quantum Magnets (eBook)
XIX, 156 Seiten
Springer International Publishing (Verlag)
978-3-030-01803-0 (ISBN)
This thesis is a tour-de-force combination of analytic and computational results clarifying and resolving important questions about the nature of quantum phase transitions in one- and two-dimensional magnetic systems. The author presents a comprehensive study of a low-dimensional spin-half quantum antiferromagnet (the J-Q model) in the presence of a magnetic field in both one and two dimensions, demonstrating the causes of metamagnetism in such systems and providing direct evidence of fractionalized excitations near the deconfined quantum critical point. In addition to describing significant new research results, this thesis also provides the non-expert with a clear understanding of the nature and importance of computational physics and its role in condensed matter physics as well as the nature of phase transitions, both classical and quantum. It also contains an elegant and detailed but accessible summary of the methods used in the thesis-exact diagonalization, Monte Carlo, quantum Monte Carlo and the stochastic series expansion-that will serve as a valuable pedagogical introduction to students beginning in this field.
Adam Iaizzi received his PhD from Boston University in 2018. He now holds a postdoctoral position at National Taiwan University.
Adam Iaizzi received his PhD from Boston University in 2018. He now holds a postdoctoral position at National Taiwan University.
1 Introduction 11.1 How to Read this Dissertation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 What is Computational Physics? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.1 A Brief History of Computational Physics . . . . . . . . . . . 51.2.2 Development of the Metropolis Algorithm . . . . . . . . . . . 71.2.3 Toward a More Detailed Balance . . . . . . . . . . . . . . . . 91.3 Condensed Matter Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.4 Classical Phase Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.4.1 2D Ising Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.5 Quantum Phase Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.5.1 Deconned Quantum Criticality . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.5.2 What are Quasiparticles? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321.6 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 Saturation Transition in the 1D J-Q Model 382.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.3 Phase Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.4 Metamagnetism in the J-Q Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462.4.1 Origin of the Magnetization Jump . . . . . . . . . . . . . . . . 492.4.2 An Exact Solution at qmin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.4.3 Excluded Mechanisms for Metamagnetism . . . . . . . . . . . 552.5 Metamagnetism in the J1-J2 Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572.6 Zero-Scale-Factor Universality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612.7 Conclusions and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683 Saturation Transition in the 2D J-Q Model 713.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743.3 Phase Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743.4 Metamagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 763.4.1 Exact Solution for qmin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773.4.2 Quantum Monte Carlo Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803.5 Zero-Scale-Factor Universality in 2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . 823.5.1 Form of the Low-Temperature Divergence . . . . . . . . . . . 853.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914 Signatures of Deconned Quantum Criticality in the 2D J-Q-h Model 934.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 944.1.1 The Zero-eld J-Q Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 944.1.2 Anomalous Specic Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964.1.3 BKT Transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 974.1.4 Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 984.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 984.3 Phase diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 994.4 Field-induced BKT Transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1024.4.1 Spin Stiness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1024.4.2 Non-monotonic m(T) Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . 1074.4.3 Estimation of TBKT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1114.5 Anomalous Specic Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1124.5.1 Contributions from the Gapless Modes . . . . . . . . . . . . . 1154.5.2 QMC Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1204.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1255 Methods 1275.1 Exact Diagonalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1285.2 Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1295.2.1 Importance Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1325.2.2 What is a Markov Process? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1335.2.3 The Metropolis-Hastings Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . 1355.2.4 Practical Considerations: Autocorrelations, Binning, Error Bars,and Equilibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1375.3 Quantum Monte Carlo: The Stochastic Series Expansion . . . . . . . 1405.3.1 Formalism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1415.3.2 Sampling Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1465.4 The Heisenberg Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1485.4.1 Diagonal Updates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1525.4.2 O-diagonal Updates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1555.4.3 Observables in SSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1605.5 The J-Q2 Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1635.5.1 Diagonal Updates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1655.5.2 O-diagonal Updates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1675.6 The Heisenberg Model in an External Field . . . . . . . . . . . . . . 1685.6.1 Diagonal Updates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1715.6.2 O-diagonal updates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1735.7 The J-Q-h Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1825.7.1 Diagonal Updates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1835.7.2 Directed Loop Updates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1855.8 Supplementary Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1855.8.1 Quantum Replica Exchange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1875.8.2 Doubling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1895.9 Pseudorandom Number Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1916 Conclusions 192A Supplementary Material for the 1D Few-magnon Expansion 194A.1 Few Magnons in the J-Q-h Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194A.2 Derivation of the Magnetization Jump in the J1-J2 Chain . . . . . . 198Bibliography 201Curriculum Vitae 208
| Erscheint lt. Verlag | 28.11.2018 |
|---|---|
| Reihe/Serie | Springer Theses | Springer Theses |
| Zusatzinfo | XIX, 156 p. 34 illus., 31 illus. in color. |
| Verlagsort | Cham |
| Sprache | englisch |
| Themenwelt | Mathematik / Informatik ► Mathematik |
| Naturwissenschaften ► Physik / Astronomie ► Atom- / Kern- / Molekularphysik | |
| Schlagworte | classical phase transitions • deconfinement at quantum critical point • exact diagonalization • J-Q model • low-dimensional spin-half quantum antiferromagnet • metamagnetism • one- and two-dimensional magnetic systems • Quantum Monte Carlo • quantum phase transitions • Stochastic Series Expansion Monte Carlo |
| ISBN-10 | 3-030-01803-2 / 3030018032 |
| ISBN-13 | 978-3-030-01803-0 / 9783030018030 |
| Haben Sie eine Frage zum Produkt? |
PDF (Wasserzeichen)Größe: 3,4 MB
DRM: Digitales Wasserzeichen
Dieses eBook enthält ein digitales Wasserzeichen und ist damit für Sie personalisiert. Bei einer missbräuchlichen Weitergabe des eBooks an Dritte ist eine Rückverfolgung an die Quelle möglich.
Dateiformat: PDF (Portable Document Format)
Mit einem festen Seitenlayout eignet sich die PDF besonders für Fachbücher mit Spalten, Tabellen und Abbildungen. Eine PDF kann auf fast allen Geräten angezeigt werden, ist aber für kleine Displays (Smartphone, eReader) nur eingeschränkt geeignet.
Systemvoraussetzungen:
PC/Mac: Mit einem PC oder Mac können Sie dieses eBook lesen. Sie benötigen dafür einen PDF-Viewer - z.B. den Adobe Reader oder Adobe Digital Editions.
eReader: Dieses eBook kann mit (fast) allen eBook-Readern gelesen werden. Mit dem amazon-Kindle ist es aber nicht kompatibel.
Smartphone/Tablet: Egal ob Apple oder Android, dieses eBook können Sie lesen. Sie benötigen dafür einen PDF-Viewer - z.B. die kostenlose Adobe Digital Editions-App.
Buying eBooks from abroad
For tax law reasons we can sell eBooks just within Germany and Switzerland. Regrettably we cannot fulfill eBook-orders from other countries.
aus dem Bereich
