Effective Quantum Models of Spin-Orbit Entangled Transition Metal Oxides

Mgr. Juraj Rusnačko, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

Tato dizertační práce představuje dvě teoretické studie magnetismu ve vybraných sloučeninách přechodových kovů se silnou spin-orbitální vazbou. V některých z těchto materiálů působí neobvyklé anizotropní magnetické interakce, které vznikají, když se prostorová symetrie orbitalů uplatněných při přeskocích mezi ionty promítne do pseudospinových interakcí v důsledku propletení lokálních spinových a orbitálních momentů hybnosti. Jiná situace může nastat v některých d4 materiálech, kde spin-orbitální interakce přeuspořádá nízkoenergiové multipletové stavy, což vede k neobvyklé lokální bázi složené z kvazidegenerovaných singletních a tripletních hladin dynamicky promíchaných výměnnou interakcí. Práce se zabývá dvěma konkrétními příklady takových jevů: i) anizotropními interakcemi na vazbách v Kitaevových magnetech a ii) měkkým spinovým magnetismem v d4 ruthenátech. V první polovině práce se zabýváme rozšířeným Kitaevovým-Heisenbergovým modelem, který představuje efektivní kvantový spinový model pro kvazi-2D voštinové materiály, jako jsou Na2IrO3 a α-RuCl3. Kombinací analytického rozboru založeného na symetriích s numerickými metodami konstruujeme globální popis fázového diagramu modelu a nacházíme některé jeho překvapivé rysy, jako je existence souvislých oblastí v prostoru parametrů, v nichž je základní stav prostý kvantových fluktuací. Druhá polovina práce je věnována studiu hard-core bosonového modelu popisujícího excitonový magnetismus v Ca2RuO4. Zde rozšiřujeme harmonickou aproximaci o korekce v rámci metody středního pole, která částečně zohledňuje hard-core povahu příslušných pomocných bosonů. Srovnání s numerickými výpočty na bázi kvantové metody Monte Carlo ukázalo, že metoda středního pole poskytuje přesné výsledky jak pro statické veličiny, tak pro disperze magnetických excitací.

Abstract:

The thesis presents two theoretical studies of magnetism in selected transition metal compounds with strong spin-orbit coupling. Some of these materials feature unusual anisotropic magnetic interactions that arise when the spatial symmetry of orbitals entering inter-site hopping is imprinted onto the pseudospin interactions by an entanglement of local spin and orbital momenta. A different situation may occur in some d4 materials, where the spin-orbit interaction reorganizes the low-lying multiplet states, leading to an unusual local basis composed of quasi-degenerate singlet and triplet levels dynamically mixed by exchange interactions. The thesis covers two specific examples of such phenomena: i) bond-selective interactions in Kitaev magnets, and ii) soft-spin magnetism in d4 ruthenates. In the first half of the work, we address the extended Kitaev-Heisenberg model, which is an effective quantum spin model for quasi-2D honeycomb compounds such as Na2IrO3 and α-RuCl3. By combining analytical symmetry-based analysis with numerical methods, we provide a global description of the model`s phase diagram, revealing surprising features such as fluctuation-free manifolds in parameter space. The second half of the thesis is devoted to the study of a hard-core bosonic model describing excitonic magnetism in Ca2RuO4. We develop a mean-field method which partly incorporates the hard-core properties of bosons, thus extending the harmonic approximation. A comparison with Quantum Monte Carlo calculations revealed that the mean-field method yields accurate results for both static quantities and dispersions of magnetic excitations.

Keywords

oxidy přechodových kovů, spin-orbitálnı́ vazba, rozšı́řený Kitaevův-Heisenbergův model, Na2IrO3, Ca2RuO4, exaktnı́ diagonalizace, kvantové Monte Carlo, harmonická aproximace, bosonická kondenzace, transition metal oxides, spin-orbit coupling, extended Kitaev-Heisenberg model, exact diagonalization, Quantum Monte Carlo, harmonic approximation, bosonic condensation

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 1. 7. 2024

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 24. 9. 2024
• Vedoucí: doc. Mgr. Jiří Chaloupka, Ph.D.
• Oponent: Ph.D. Jan Kuneš, PhD Huimei Liu

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Pokročilé materiály a nanovědy / Pokročilé nanotechnologie a mikrotechnologie