Spin-orbital gap of multiorbital antiferromagnet with geometrical frustration

幾何学的フラストレーションのある反強磁性体のスピン軌道ギャップ

大西 弘明  ; 堀田 貴嗣

Onishi, Hiroaki; Hotta, Takashi

ジグザグ鎖上の軌道ハバード模型の低エネルギー状態を、密度行列繰り込み群法を用いて解析し、多軌道系におけるスピンギャップ形成を議論する。まず、二軌道が縮退していて軌道自由度が活性な場合には、自発的に完全分極した軌道状態を取り、その軌道の異方性のため、スピンフラストレーションが解消される。そして、弱結合した反強磁性ジグザグスピン鎖と同様にスピンギャップが抑制されることがわかった。一方、結晶場効果として二軌道間のレベル分裂を考慮すると、軌道モーメントは分極したまま、レベル分裂に応じてその向きが徐々に変化することがわかった。とりわけ、レベル分裂が大きい場合にはスピンフラストレーションが有効となり、スピン一重項基底状態とスピン三重項励起状態の間にエネルギーギャップが存在する。これは、単一軌道系であればいわゆるスピンギャップであるが、今の場合、スピンと軌道の多体相関のため、スピン状態の変化は必然的に軌道状態の変化を伴うので、このスピン励起エネルギーギャップは「スピン軌道ギャップ」として解釈される。

In order to discuss the spin-gap formation in a multiorbital system, we analyze an -orbital Hubbard model on a geometrically frustrated zigzag chain by using a density-matrix renormalization group method. Due to the appearance of a ferro-orbital arrangement, the system is regarded as a one-orbital system, while the degree of spin frustration is controlled by the spatial anisotropy of the orbital. In the region of strong spin frustration, we observe a finite energy gap between ground and first-excited states, which should be called a spin-orbital gap. The physical meaning is clarified by an effective Heisenberg spin model including correctly the effect of the orbital arrangement influenced by the spin excitation.