Операция "Раздолбай"

Спиновые волны в гейзенберговском ферромагнетике в представлении Хольштейна-Примакова

Рассмотрим спектр возбуждений в системе в модели Гейзенберга, гамильтониан которой представляет собой сумму обменных и зеемановских членов

H=-J\sum_{j,\delta}\bold{S}_{j}\bold{S}_{j+\delta}-2\mu_0h\sum_{j}S_j^2.

Здесь \bold{S}_j - оператор спина находящегося в узле решетки j, которая для простоты считается кубической. \delta - нумерует множество узлов решетки, ближайших к j; h - магнитное поле направленное по оси z. Предполагается, что взаимодействуют только ближайшие соседи. Компоненты спина связаны соотношением

\bold{S}_j\bold{S}_j=S(S+1).

Для перехода от спиновых операторов к бозевским выполним преобразование Холстейна - Примакова

S^{+}_{j}=S^x_j+iS^y_j=(2S)^{1/2}\left( 1-\frac{a^{+}_ja_j}{2S}\right)^{1/2}a_j
S^{-}_{j}=S^x_j-iS^y_j=(2S)^{1/2}a^{+}_j\left( 1-\frac{a^{+}_ja_j}{2S}\right)^{1/2}
S^z=S-a^{+}_ja_j

При этом мы требуем выполнение условия

[a_j,a^{+}_i]=\delta_{ij}

Нас будут интересовать слабовозбужденные состояния системы, когда

\frac{\langle a^{+}_ja_j\rangle}{S}=\frac{\langle n_j\rangle}{S}<<1.

Поэтому преобразование Холстейна-Примакова приближенно запишется в виде

S^{+}_{j}\approx (2S)^{1/2}a_j
S^{-}_{j}\approx (2S)^{1/2}a_j^{+}
S^{z}_{j}\approx S-a_j^{+}a_j

По формуле (61) перейдем от операторов a^{+}_j, a_j к новым операторам a^{+}_k,~a_k

a_j=\frac{1}{N^{1/2}}\sum_k e^{-\bold{kj}}a_{\bold{k}},~~~a_j^+={\bold{j}}\frac{1}{N^{1/2}}\sum_k e^{-\bold{kj}}a_{\bold{k}}^{+}.

Легко проверить, используя (63) и (64), что имеет место преобразование

a_k=\frac{1}{N^{1/2}}\sum_k e^{-\bold{kj}}a_{\bold{j}},~~~a_{\bold{k}}^+=\frac{1}{N^{1/2}}\sum_k e^{-\bold{kj}}a_{\bold{j}}^{+}.

Используя соотношения (32),(64),(26), получим, что

[a_{k},a_{k}^{+}]=\delta_{kk'},
[a_{k},a_{k'}]=0
[a_{k}^{+},a_{k'}^{+}]=0.

Поскольку

S^x_iS^x_j+S^y_iS^y_j=\frac{S^+_iS^-_j+S^-_jS^+_i}{2},~~i\ne j,

то

\bold{S}_i\bold{S}_j=\frac{S^{+}_iS^{-}_j+S^{-}_jS^{+}_i}{2}+S^{z}_iS^{z}_j

В результате, последовательно делая подстановки (34),(30),(31), получим

H=-J\sum_{j,\delta}\left(\frac{S^{+}_jS^{-}_{j+\delta}+S^{-}_{j+\delta}S^{+}_j}{2}+S^{z}_jS^{z}_{j+\delta} \right)-2\mu_0 h\sum_{j}S^z_j=
=-J\sum_{j,\delta}[S(a_ja^{+}_{j+\delta}+a^{+}_{j+\delta}a_j)+(S-a_j^+a_j^+)(S-a_{j+\delta}^+a_{j+\delta}^+)]-2\mu_0 h\sum_{j}S_j^z=
=

и опуская постоянный член получим

H_0=\sum_k[2J_zS(1-\gamma_k)+2\mu_0h]a^{+}_ka_k=
=\sum_k\omega_ka^{+}_ka_k

Таким образом, при низких температурах (когда число возбуждений мало и можно пренебречь их взаимодействием) гамильтониан (24) изоморфен системе независимых осцилляторов (спиновых волн). Этот вывод аналогичен результату, полученному для колебательного спектра кристаллов, для которых гамильтониан также сводится к системе независимых осцилляторов, а элементарные возбуждения являются фононами.

Для длиноволновых возбуждений, когда |\bold{k}\delta|<<1, то

z(1-\gamma_k)\approx \frac{1}{2}\sum_{\delta}(\bold{k}\delta)^2=(ka)^2

Мы воспользовались тем, что для кубической решетки |\delta_i|=a

Поэтому элементарные возбуждения в модели Гейзенберга с ферромагнитным взаимодействием представляют собой магноны (спиновые волны) с квадратичным законом дисперсии

\omega_k=2\mu_0H_0+2JS(ka)^2

В отсутствие внешнего поля в соответствии с теоремой Голдстоуна спектр возбуждений является безщелевым.


Лекции 168


Система Orphus

Комментарии (показать)