Lanczos study of the S = 1/2 frustrated square-lattice anti-ferromagnet in a magnetic field

摘要

We study the zero-temperature phase diagram of the frustrated square-lattice S = 1/2 anti-ferromagnet in an external magnetic field numerically with the Lanczos algorithm. For strong frustration, we find disordered phases at high (and low) magnetic fields. Between these two disordered phases, we find a plateau in the magnetization curve at half of the saturation magnetization, which corresponds to a state with up-up-up-down (uuud) spin order. This and other considerations (M.E. Zhitomirsky, A. Honecker, and O.A. Petrenko. Phys. Rev. Lett. 85, 3269 (2000).) suggest an unusual ordering scenario. There is an ordered phase with a spin gap (the plateau) and disordered magnetically gapless phases above and below. The transition to saturation is studied in further detail and problematic conclusions in earlier investigations of this region are pointed out. PACS Nos.: 75.50Ee, 75.40Mg, 75.45+jNous utilisons un algorithme numérique de Lanczos pour étudier à T = 0 le diagramme de phase d'un réseau carré antiferromagnétique frustré S = 1/2 dans un champ magnétique extérieur. Pour une frustration importante, nous trouvons des phases désordonnées pour des champs magnétiques forts (et faibles). Entre ces deux phases sans ordre, nous trouvons un plateau à la moitié de la saturation magnétique de la courbe de magnétisation, qui correspond à un état avec spin +++– (uuud). Ce résultat et d'autres considérations (M.E. Zhitomirsky, A. Honecker et O.A. Petrenko. Phys. Rev. Lett. 85, 3269 (2000).) suggèrent une phase ordonnée avec intervalle (gap) de spin, accompagnée de part et d'autre de phases magnétiquement désordonnées et sans intervalle. Nous étudions de façon plus détaillée la transition vers la saturation et soulignons les conclusions problématiques de travaux antérieurs dans cette région. [Traduit par la Rédaction]