Dynamical spin correlation function in a frustrated two-leg spin-ladder system

フラストレートした2本足スピン梯子系における動的スピン相関関数

杉本 貴則; 森 道康  ; 遠山 貴己; 前川 禎通

Sugimoto, Takanori; Mori, Michiyasu; Toyama, Takami; Maekawa, Sadamichi

低次元フラストレート量子スピン系の新しい候補として、BiCuPOが挙げられる。この物質の有効スピン模型は、最近接交換相互作用()と次近接交換相互作用()がともに反強磁性的である-鎖を2本並べ、反強磁性鎖間相互作用()を入れた、2本足スピン梯子系であると考えられている。このフラストレートした2本足スピン梯子系の基底状態としては、鎖内で一重項を形成するコラムナー・ダイマー状態と、梯子の桁で一重項を形成するラング一重項状態の2つの可能性がある。本研究では、これらの背景を踏まえ、フラストレートした2本足スピン梯子系の磁気励起構造の解析を、動的密度繰り込み郡法を用いて行った。その結果として、コラムナー・ダイマー状態とラング一重項状態で、その磁気励起構造に特徴的な差異を見つけることができた。この差異は、特に鎖間方向の波数、0とを区別して解析することで強調される。この研究と中性子散乱実験の比較によって、超伝導発現の可能性があるBiCuPOの、基底状態と磁気励起構造を決定することができると期待される。

We numerically study the magnetic excitations in a frustrated two-leg spin-ladder system, in which all magnetic exchange interactions, i.e., the nearest-, next-nearest-neighbor sites in the leg direction, and the nearest-neighbor sites in the rung direction, are antiferromagnetic. This is a minimal model describing a low-dimensional quantum spin compound, BiCuPO. We calculate a dynamical spin correlation function at zero temperature by using the dynamical density-matrix renormalization-group method in possible magnetic phases, columnar dimer and rung singlet. The columnar dimer phase is characterized by multi-spinon excitations, while the rung singlet phase is dominated by a triplon excitation, which is the triplet excitation in the rung direction. Difference between these two types of excitations appears in the spectral weight, in particular, of the bonding and anti-bonding modes in the rung direction. Therefore, we can distinguish one phase from the other by distribution of the spectral weight. In addition, we examine frustration effect on the bonding mode, so-called bound triplon, with a perturbation theory from the strong coupling limit in the rung direction. Our study is expected to be useful to analyze inelastic neutron scattering data for BiCuPO.