纳米尺度 Compass-Heisenberg 平面团簇的磁学性质

我们研究了方格晶格上自旋 1/2 的模型，通过添加最近邻之间的微扰 Heisenberg 相互作用推广了量子 compass 模型，并研究了其相图和磁激发。该模型的动机既来自具有轨道简并的强关联系统领域，也来自为量子计算提出的固态器件领域。我们发现 compass 模型基态的高简并性是脆弱的，对于任何有限幅度的 Heisenberg 耦合，它都会转变为二重简并基态。通过利用 Lanczos 对角化计算有限团簇的自旋结构因子，我们证实了存在丰富的由 Z2 对称性表征的相，这些相要么是铁磁性的，要么是 C 型反铁磁性的，或者是 Néel 型的，并分析了量子涨落对相界的影响。在有序相中，compass 相互作用的各向异性导致自旋波存在有限的激发能隙。我们表明，对于具有大各向异性能隙的小型纳米团簇，最低激发是由于 Heisenberg 微扰从 compass 模型简并基态流形中出现的列翻转激发。我们推导出了一个有效的一维 XYZ 模型，该模型忠实地复现了这些激发态的精确结构并阐明了它们的微观起源。低能列翻转或 compass 型激发对退相干过程具有鲁棒性，因此非常适合用于量子计算中的信息存储。我们还指出，形成金刚石基质中矩形晶格的氮 - 空位中心之间的偶极相互作用可能允许实现各向异性 compass-Heisenberg 模型的固态版本。