Excitaciones no convencionales en antiferromagnetos frustrados

Abstract

El antiferromagnetismo cuántico es un área muy activa de la materia condensada donde se cuenta con dos paradigmas para su estudio. Uno convencional, que se aplica para la descripción de sistemas ordenados magnéticamente cuyas excitaciones son los magnones, y uno no convencional para los sistemas desordenados cuánticamente que presentan excitaciones fraccionarias. Una descripción unicada, tanto para regímenes ordenados como desordenados, fue desarrollada en el contexto de las teorías efectivas de campos de gauge. Sin embargo, a la hora de interpretar espectros de excitaciones magnéticas como los que se obtienen en experimentos de dispersión inelástica de neutrones es necesario contar con teorías microscópicas a partir de las cuales se pueda obtener resultados confiables en ambos regímenes. En particular el paradigma no convencional todavía no ha sido elaborado satisfactoriamente y en esta dirección apunta la presente tesis. Para esto, la idea central fue la introducción de campos de gauge acoplados a partículas fraccionarias como fenómeno emergente de bajas energías utilizando la representación de bosones de Schwinger, en donde los operadores de espín se expresan en función de operadores bosónicos de espín ½ sujetos a una condición local en el número de partículas por sitio. Se calculó la función de partición de sistemas magnéticos mediante la integral de camino de Feynman, aproximándola hasta orden gaussiano (1/N) alrededor de la solución de punto de ensilladura (o campo medio) en los campos de Hubbard-Stratonovich. En este desarrollo, se observó que la inclusión de un término de ruptura de simetría es crucial para lograr correcciones no nulas al factor de estructura dinámico. Se computó el factor de estructura dinámico para el modelo de Heisenberg de espín 1/2 isotrópico y XXZ sobre la red triangular. Esta teoría logra reproducir los resultados de expansiones en series para la relación de disperisón, y los valores de magnetización predichos por técnicas numéricas. Por otro lado, permite interpretar los espectro de excitaciones de los sistemas ordenados, pero cercanos a un punto crítico cuántico, en término de excitaciones fraccionarias. En la parte de bajas energías se recuperan las excitaciones magnónicas como pares de espinones fuertemente ligados, mientras que en la parte de altas energías presenta un extenso continuo de pares de espinones débilmente ligados. A su vez, estos resultados acuerdan muy bien con los experimentos de dispersión inelástica de neutrones en el compuesto Ba3CoSb2O9, que es una realización experimental del modelo XXZ, logrando explicar los principales aspectos que la teoría convencional de ondas de espín no puede reproducir.