Frustrated Heisenberg Antiferromagnets on Cubic Lattices: Magnetic Structures, Exchange Gaps, and Non-Conventional Critical Behaviour

Abstract

We have studied the Heisenberg antiferromagnets characterized by the magnetic structures with the periods being two times larger than the lattice period. We have considered all the types of the Bravais lattices (simple cubic, bcc and fcc) and divided all these antiferromagnets into 7 classes i.e. 3 plus 4 classes denoted with symbols A and B correspondingly. The order parameter characterizing the degeneracies of the magnetic structures is an ordinary Neel vector for A classes and so-called 4-complex for B classes. We have taken into account the fluctuation corrections for these states within the spin-wave and large-N expansions (N is the number of spin components). Below the Neel temperature TN quantum and thermal fluctuations lift the degeneracy making simple one-wave vector collinear structure preferable for all the classes. A satellite of this effect is the opening of the exchange gaps at certain wave vectors in the spin wave spectrum (there is an analogous effect for the nonuniform static transverse susceptibility). However, as the temperature approaches TN, the exchange gaps are closing. We have calculated the critical indices and to order of 1=N and found that they differ for A and B classes

В статье исследованы гейзенберговские антиферромагнетики с магнитными структурами, име- ющими удвоенные периоды относительно периода решетки. Рассмотрены кубические решетки Браве всех трех типов (ПК, ОЦК и ГЦК). Магнитные структуры разбиты на 7 классов (3 плюс 4 класса типов A и B соответственно). Параметр порядка, характеризующий вырождение маг- нитных структур, имеет вид обычного неелевского вектора для классов A и так называемого 4-комплекса для классов B. В рамках спин-волнового и 1=N-разложений (N — число спиновых компонент) учтены флуктуационные поправки для этих состояний. Ниже температуры Нееля TN квантовые и температурные поправки снимают вырождение для всех классов, делая предпо- чтительным простое коллинеарное состояние, описываемое одним волновым вектором. Этому эффекту сопутствует открытие обменных щелей в спектре спиновых волн при определенных волновых векторах (имеется аналогичное явление для неоднородной статической поперечной вос- приимчивости). Однако при приближении температуры к TN обменные щели закрываются. Вы- числение критических показателей и в первом порядке по 1=N показало, что они отличаются для классов A и B