Quantum Monte Carlo studies of emerging quantum phases and quantum phase transitions in frustrated quantum magnets

• Antragsteller: Professor Stefan Wessel, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 55436831

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen dieses Projektes wurden mittels Quanten-Monte-Carlo-Verfahren neuartige Quantenphasen und Quantenphasenübergängen untersucht. Dabei hat sich im Verlaufe der Projektarbeit herausgestellt, dass sich neben den reinen Spin-Modellen, die zunächst betrachtet wurden, interessante Aspekte auch innerhalb von Modellen untersuchen lassen, in denen die vollen elektronischen Freiheitsgrade, d.h. neben der Spin-Dynamik auch die Ladungs- Dynamik, betrachtet werden. In der Nähe des Mott-Übergangs von Elektronen auf dem Honigwaben-Gitter haben wir Anzeichen für das Vorliegen einer Spinflüssigkeitesphase erhalten. Diese Resultate sind derzeit nicht unumstritten; neuere Arbeiten auf deutlich größeren Gittern beobachten eine starke Reduktion der Ausdehnung dieser Phase. Unabsehbar bei Antragstellung waren die neuen interessanten Möglichkeiten, die sich in den letzten Jahren aus dem Zusammenspiel zwischen topologischen Eigenschaften, wie sie in topologischen Isolatoren auftreten, und elektronischen Wechselwirkungen ergeben. Hier konnten wir zur Klärung der Frage der Stabilität der Quanten-Spin-Hall-Phase beitragen und die Natur der Quantenphasenübergänge zur antiferromagnetischen Phase bestimmen. Als weiterer interessanter Aspekt hat sich die Untersuchung eines möglichen Randmagnetismus in Graphene-Nanoribbons ergeben. Hier konnten wir beitragen zur Untersuchung der inhärent quantenmechanischen Natur des Randmagnetismus. Ob sich diese magnetischen Zustände in der Tat im Experiment nachweisen lassen ist derzeit noch unklar. Mögliche Anwendungen lägen dann insbesondere im Bereich der Spintronik, in der die Spin-Eigenschaften der Elektronen zur Informationsverarbeitung ausgenutzt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Phases and magnetization process of an anisotropic Shastry-Sutherland model, Phys. Rev. B 78, 224416 (2008)
  Z. Y. Meng and S. Wessel
  
• Magnetism of finite graphene samples: Mean-field theory compared with exact diagonalization and quantum Monte Carlo simulations, Phys. Rev. B 81, 115416 (2010)
  H. Feldner, Z. Y. Meng, A. Honecker, D. Cabra, S. Wessel, and F. F. Assaad
  
• Quantum spin liquid emerging in two-dimensional correlated Dirac fermions, Nature 464, 847 (2010)
  Z. Y. Meng, T. C. Lang, S. Wessel, F. F. Assaad and A. Muramatsu
  
• Dynamical Signatures of Edge-State Magnetism on Graphene Nanoribbons, Phys. Rev. Lett. 106, 226401 (2011)
  H. Feldner, Z. Y. Meng, T. C. Lang, F. F. Assaad, S. Wessel, and A. Honecker
  
• Quantum-Phase-Transitions in the Kane-Mele-Hubbard model, Phys. Rev. B 85, 115132 (2012)
  M. Hohenadler, Z. Y. Meng, T. C. Lang, S. Wessel, A. Muramatsu, and F. F. Assaad
  
• Effective models for strong correlations and edge magnetism in graphene, Phys. Rev. B 87, 245431 (2013)
  M. J. Schmidt, M. Golor, T. C. Lang, and S. Wessel
  
• Quantum Monte Carlo studies of edge magnetism in chiral graphene nanoribbons, Phys. Rev. B 87, 155441 (2013)
  M. Golor, T. C. Lang, and S. Wessel
  
• Thermal phase transitions in a honeycomb lattice gas with three-body interactions, Phys. Rev. E 88, 052135 (2013)
  M. Lohöfer, L. Bonnes, and S. Wessel