Magnetic orderings and phase separations in the zero-bandwidth limit of the extended Hubbard model with intersite magnetic interactions

This is an author-created, un-copyedited version of an article accepted for publication in Acta Physica Polonica A. The Version of Record is available online at http://przyrbwn.icm.edu.pl/APP/PDF/118/a118z2p31.pdf

Forty years among the Indians ; a descriptive history of the long and busy life of Jeremiah Hubbard.

http://www.archive.org/details/fortyyearsamongi00hubbrich

Possible Exotic Phases in the One-Dimensional Extended Hubbard Model

We investigate numerically the ground state phase diagram of the one-dimensional extended Hubbard model, including an on--site interaction U and a nearest--neighbor interaction V. We focus on the ground state phases of the model in the V >> U region, where previous studies have suggested the possibility of dominant superconducting pairing fluctuations before the system phase separates at a critical value V=V_PS. Using quantum Monte Carlo methods on lattices much larger than in previous Lanczos diagonalization studies, we determine the boundary of phase separation, the Luttinger Liquid correlation exponent K_rho, and other correlation functions in this region. We find that phase separation occurs for V significantly smaller than previously reported. In addition, for negative U, we find that a uniform state re-enters from phase separation as the electron density is increased towards half filling. For V < V_PS, our results show that superconducting fluctuations are not dominant. The system behaves asymptotically as a Luttinger Liquid with K_rho < 1, but we also find strong low-energy (but gapped) charge-density fluctuations at a momentum not expected for a standard Luttinger Liquid.

Characterization of Bose-Hubbard models with quantum nondemolition measurements

We propose a scheme for the detection of quantum phase transitions in the one-dimensional (1D) Bose-Hubbard (BH) and 1D Extended Bose-Hubbard (EBH) models, using the nondemolition measurement technique of quantum polarization spectroscopy. We use collective measurements of the effective total angular momentum of a particular spatial mode to characterize the Mott insulator to superfluid phase transition in the BH model and the transition to a density wave state in the EBH model. We extend the application of collective measurements to the ground states at various deformations of a superlattice potential.

Development and applications of density matrix functional theory of generalized Hubbard Models

In dieser Doktorarbeit wird eine akkurate Methode zur Bestimmung von Grundzustandseigenschaften stark korrelierter Elektronen im Rahmen von Gittermodellen entwickelt und angewandt. In der Dichtematrix-Funktional-Theorie (LDFT, vom englischen lattice density functional theory) ist die Ein-Teilchen-Dichtematrix γ die fundamentale Variable. Auf der Basis eines verallgemeinerten Hohenberg-Kohn-Theorems ergibt sich die Grundzustandsenergie Egs[γgs] = min° E[γ] durch die Minimierung des Energiefunktionals E[γ] bezüglich aller physikalischer bzw. repräsentativer γ. Das Energiefunktional kann in zwei Beiträge aufgeteilt werden: Das Funktional der kinetischen Energie T[γ], dessen lineare Abhängigkeit von γ genau bekannt ist, und das Funktional der Korrelationsenergie W[γ], dessen Abhängigkeit von γ nicht explizit bekannt ist. Das Auffinden präziser Näherungen für W[γ] stellt die tatsächliche Herausforderung dieser These dar. Einem Teil dieser Arbeit liegen vorausgegangene Studien zu Grunde, in denen eine Näherung des Funktionals W[γ] für das Hubbardmodell, basierend auf Skalierungshypothesen und exakten analytischen Ergebnissen für das Dimer, hergeleitet wird. Jedoch ist dieser Ansatz begrenzt auf spin-unabhängige und homogene Systeme. Um den Anwendungsbereich von LDFT zu erweitern, entwickeln wir drei verschiedene Ansätze zur Herleitung von W[γ], die das Studium von Systemen mit gebrochener Symmetrie ermöglichen. Zuerst wird das bisherige Skalierungsfunktional erweitert auf Systeme mit Ladungstransfer. Eine systematische Untersuchung der Abhängigkeit des Funktionals W[γ] von der Ladungsverteilung ergibt ähnliche Skalierungseigenschaften wie für den homogenen Fall. Daraufhin wird eine Erweiterung auf das Hubbardmodell auf bipartiten Gittern hergeleitet und an sowohl endlichen als auch unendlichen Systemen mit repulsiver und attraktiver Wechselwirkung angewandt. Die hohe Genauigkeit dieses Funktionals wird aufgezeigt. Es erweist sich jedoch als schwierig, diesen Ansatz auf komplexere Systeme zu übertragen, da bei der Berechnung von W[γ] das System als ganzes betrachtet wird. Um dieses Problem zu bewältigen, leiten wir eine weitere Näherung basierend auf lokalen Skalierungseigenschaften her. Dieses Funktional ist lokal bezüglich der Gitterplätze formuliert und ist daher anwendbar auf jede Art von geordneten oder ungeordneten Hamiltonoperatoren mit lokalen Wechselwirkungen. Als Anwendungen untersuchen wir den Metall-Isolator-Übergang sowohl im ionischen Hubbardmodell in einer und zwei Dimensionen als auch in eindimensionalen Hubbardketten mit nächsten und übernächsten Nachbarn. Schließlich entwickeln wir ein numerisches Verfahren zur Berechnung von W[γ], basierend auf exakten Diagonalisierungen eines effektiven Vielteilchen-Hamilton-Operators, welcher einen von einem effektiven Medium umgebenen Cluster beschreibt. Dieser effektive Hamiltonoperator hängt von der Dichtematrix γ ab und erlaubt die Herleitung von Näherungen an W[γ], dessen Qualität sich systematisch mit steigender Clustergröße verbessert. Die Formulierung ist spinabhängig und ermöglicht eine direkte Verallgemeinerung auf korrelierte Systeme mit mehreren Orbitalen, wie zum Beispiel auf den spd-Hamilton-Operator. Darüber hinaus berücksichtigt sie die Effekte kurzreichweitiger Ladungs- und Spinfluktuationen in dem Funktional. Für das Hubbardmodell wird die Genauigkeit der Methode durch Vergleich mit Bethe-Ansatz-Resultaten (1D) und Quanten-Monte-Carlo-Simulationen (2D) veranschaulicht. Zum Abschluss wird ein Ausblick auf relevante zukünftige Entwicklungen dieser Theorie gegeben.

Spectral functions of half-filled one-dimensional Hubbard rings with varying boundary conditions

We study the effect of varying the boundary condition on: the spectral function of a finite one-dimensional Hubbard chain, which we compute using direct (Lanczos) diagonalization of the Hamiltonian. By direct comparison with the two-body response functions and with the exact solution of the Bethe ansatz equations, we can identify both spinon and holon features in the spectra. At half-filling the spectra have the well-known structure of a low-energy holon band and its shadow-which spans the whole Brillouin zone-and a spinon band present for momenta less than the Fermi momentum. Features related to the twisted boundary condition are cusps in the spinon band. We show that the spectral building principle, adapted to account for both the finite system size and the twisted boundary condition, describes the spectra well in terms of single spinon and holon excitations. We argue that these finite-size effects are a signature of spin-charge separation and that their study should help establish the existence and nature of spin-charge separation in finite-size systems.

Kondo-attractive-Hubbard model for the ordering of local magnetic moments in superconductors

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Spin, charge, and orbital correlations in the one-dimensional t(2g)-orbital Hubbard model

We present the zero-temperature phase diagram of the one-dimensional t(2g)-orbital Hubbard model, obtained using the density-matrix renormalization group and Lanczos techniques. Emphasis is given to the case of the electron density n=5 corresponding to five electrons per site, while several other cases for electron densities between n=3 and 6 are also studied. At n=5, our results indicate a first-order transition between a paramagnetic (PM) insulator phase, with power-law slowly decaying correlations, and a fully polarized ferromagnetic (FM) state by tuning the Hund's coupling. The results also suggest a transition from the n=5 PM insulator phase to a metallic regime by changing the electron density, either via hole or electron doping. The behavior of the spin, charge, and orbital correlation functions in the FM and PM states are also described in the text and discussed. The robustness of these two states against varying parameters suggests that they may be of relevance in quasi-one-dimensional Co-oxide materials, or even in higher dimensional cobaltite systems as well.

Competition between spin, charge, and bond waves in a Peierls-Hubbard model

We study a one-dimensional extended Peierls-Hubbard model coupled to intracell and intercell phonons for a half-filled band. The calculations are made using the Hartree-Fock and adiabatic approximations for arbitrary temperature. In addition to static spin, charge, and bond density waves, we predict intermediate phases that lack inversion symmetry, and phase transitions that reduce symmetry on increasing temperature.

Multiperiodic magnetic structures in Hubbard superlattices

We consider fermions in one-dimensional superlattices (SL's), modeled by site-dependent Hubbard-U couplings arranged in a repeated pattern of repulsive (i.e., U>0) and free (U=0) sites. Density matrix renormalization group diagonalization of finite systems is used to calculate the local moment and the magnetic structure factor in the ground state. We have found four regimes for magnetic behavior: uniform local moments forming a spin-density wave (SDW), floppy local moments with short-ranged correlations, local moments on repulsive sites forming long-period SDW's superimposed with short-ranged correlations, and local moments on repulsive sites solely with long-period SDW's; the boundaries between these regimes depend on the range of electronic densities ρ and on the SL aspect ratio. Above a critical electronic density, ρ↑↓, the SDW period oscillates both with ρ and with the spacer thickness. The former oscillation allows one to reproduce all SDW wave vectors within a small range of electronic densities, unlike the homogeneous system. The latter oscillation is related to the exchange oscillation observed in magnetic multilayers. A crossover between regimes of thin to thick layers has also been observed.

Simulação computacional de materiais com elétrons fortemente interagentes: DMRG aplicado a super-redes Hubbard com modulação de condução entre camadas

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Ordered phases in the extended Hubbard model

A novel method to probe the diverse phases for the extended Hubbard model (EHM), including the correlated hopping term, is presented. We extend an effective medium approach [1] to a bipartite lattice, allowing for charge- and/or spin-ordered phases. We calculate the necessary correlation functions to build the EHM phase diagram.

Investigação das propriedades de transporte da fase ferroelétrica de Mott-Hubbard em condutores moleculares

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)