О законе дисперсии солитонов типа кинков в одномерных ферромагнетиках

Abstract

Исследована нелинейная классическая и квантовая динамика топологических солитонов (кинков) в спиновой цепочке с немалой двухосной анизотропией. Аналитические расчеты и численное моделирование проведены для дискретной модели с классическими спинами, и результаты использованы для анализа квантовых свойств кинка в квазиклассическом приближении. Исследование потенциала решеточного пиннинга — основной момент в данном анализе. Потенциал пиннинга существенно определяется микроскопическим источником анизотропии, для чисто обменной анизотропии он отсутствует, и только для чисто одноионной анизотропии он может быть немалым. Показано, что под действием внешнего ведущего магнитного поля кинк испытывает блоховские осцилляции. Квантовый спектр кинка состоит из конечного числа неперекрывающихся зон: S зон для целого значения атомного спина S и 2S для полуцелого спина. Исследованы различные эффекты квантового туннелирования, а именно туннельного перехода из одного положения в решетке в другое и туннельного изменения топологического заряда кинка.

Досліджено нелінійну класичну і квантову динаміку топологічних солітонів (кінків) в спiновому ланцюжку з чималою двовісною анізотропією. Аналітичні розрахунки і чисельне моделювання проведено для дискретної моделі з класичними спiнами, і результати використано для аналізу квантових властивостей кінка в квазікласичному наближенні. Дослідження потенціалу граткового пінінгу є основним моментом в нашому аналізі. Потенціал пінінгу істотно визначається мікроскопічним джерелом анізотропії, для чисто обмінної анізотропії він відсутній, і тільки для чисто одноіонної анізотропії він може бути чималим. Показано, що під дією зовнішнього провідного магнітного поля кінк випробовує блохівські осциляції. Квантовий спектр кінка складається з кінцевого числа зон, що не перекриваються: S зон для цілого значення атомного спину і 2S для напівцілого спину. Досліджено різні ефекти квантового тунелювания, а саме тунельного переходу з одного положення в гратці в інше і тунельної зміни топологічного заряду кінка.

The dynamics (classical nonlinear and quantum) of topological solitons (kinks) in spin chains with a considerable biaxial anisotropy is investigated. The analytical calculations and numerical simulations performed for the discrete classical model are used to analyze the quantum properties of kinks using the semiclassical approximation. The lattice pinning potential is the crucial point for our analysis. This potential depends strongly on the microscopic origin of anisotropy, pinning is absent for pure exchange anisotropy, and can be considerable only for pure single-ion anisotropy. The Bloch oscillations under the action of driving magnetic field are present even for the classical dynamics of kinks. The quantum spectrum of a kink shows a band structure consisting of a finite number of nonintersecting zones: S for integer atomic spin S and 2S for half-integer spins. Different quantum tunneling effects, namely, tunnel transitions from one lattice site to another and tunnel changes of kink topological change, are considered.