Dynamics of the doped one-dimensional t-J model from quantum Monte Carlo simulations

Abstract

In this work, we present results for the dynamics of the doped one-dimensional t-J model for very large systems and in a wide parameter range. These results are obtained by quantum Monte Carlo simulation based on a newly developed algorithm, the hybrid-loop Monte Carlo. Within this algorithm the loop-algorithm is used to update the spin degrees of freedom, assuring optimal efficiency, whereas the charge degrees of freedom are evolved exactly for a given spin background in the frame of the determinantal algorithm, so that both static and dynamical observables can be measured. The study of the one-particle spectral function in the whole Luttinger-liquid regime of the phase diagram shows a splitting of the spectral weight into two branches on the inverse photoemission side, in contradiction with what is expected for an ordinary metal. This feature can be understood if we assume that the elementary excitation content of the nearest-neighbor t-J model and their dispersion is the same as the one analytically obtained at J/t=2 from a t-J model with both hopping and exchange interaction decaying as 1/r². In this case the elementary excitations are spinons with charge Q=0 and spin S=1/2, holons with charge Q=-e and spin S=0, and antiholon with charge Q=2e and spin S=0. Since the antiholon has twice the mass of the holon and charge with opposite sign, holon and antiholon are not charge conjugate but two independent elementary excitations. The agreement between the analytic results derived from our assumptions and the Monte Carlo data for a wide range of parameters and for different values of doping strongly indicate, that antiholons are generic excitations in the nearest-neighbor t-J model. Since the quantum numbers of the antiholons are the same as those of for a Cooper pair, the question arises whether these new excitations are related to superconductivity, that is indeed one of the possible phases in the one-dimensional nearest-neighbor t-J model. A further study of the system in the phase-separated region shows that the spectral function is very discontinuous in the photoemission side. This feature reminds an interference scenario generated by superposition of a continuous dispersion with a regular pattern. The nature of a phase-separated regime in a simulation with periodic boundary condition can be the origin of the regular pattern.

In dieser Arbeit präsentieren wir Ergebnisse der Dynamik des dotierten eindimensionalen t-J-Modells für sehr große Systeme und in einem weiten Parameterbereich. Diese Ergebnisse werden durch eine auf einem neu entwickelten Algorithmus basierende Quanten Monte Carlo Simulation gewonnen, dem hybrid-loop Monte Carlo Algorithmus. Innerhalb dieses Algorithmuses wird der loop-Algorithmus dazu benutzt, die Spin-Freiheitsgrade bei optimaler Effektivität zu aktualisieren, wohingegen die Ladungs-Freiheitsgrade bei einem gegebenen Spin-Hintergrund durch den Determinanten-Algorithmus exakt entwickelt werden, so daß sowohl die statischen als auch die dynamischen Observablen gemessen werden können. Das Studium der Einteilchen-Spektralfunktion im gesamten Luttinger-Flüssigkeits Bereich des Phasendiagramms zeigt bei der inversen Photoemission ein Aufsplitten des spektralen Gewichtes in zwei Zweige; im Gegensatz zu dem, was für ein gewöhnliches Metall erwartet wird. Diese Eigenschaft kann so verstanden werden, wenn wir für das "nächste Nachbar t-J-Modell" annehmen, daß der Inhalt der Elementaranregungen und deren Dispersion derselbe ist wie jener eines t-J-Modells, das mit sowohl Hüpf- als auch Austausch-Wechselwirkung mit 1/r² abfällt und analytisch bei J/t=2 gewonnen wird. In diesem Fall sind die Elementaranregungen Spinonen mit Ladung Q=0 und Spin S=1/2, Holonen mit Ladung Q=-e und Spin S=0 und Anti-Holonen mit Ladung Q=2e und Spin S=0. Da das Anti-Holon die doppelte Masse des Holons hat, sind Holon und Anti-Holon nicht ladungskonjugiert, sondern zwei unabhängige Elementaranregungen. Die Übereinstimmung zwischen den analytischen Ergebnissen, die von unseren Annahmen abgeleitet wurden, und den Monte Carlo Daten für einen großen Parameterbereich und für verschiedene Dotierungen, deuten stark darauf hin, daß die Anti-Holonen generische Anregungen des "nächsten Nachbar t-J-Modells" sind. Da die Quantenzahlen der Anti-Holonen dieselben sind wie jene für ein Cooper-Paar, stellt sich die Frage, ob diese neuen Anregungen mit der Supraleitung in Verbindung stehen. Die Supraleitungsphase ist nämlich in der Tat eine der möglichen Phasen im "eindimensionalen nächste Nachbar t-J-Modell". Ein weiteres Studium des Systems in der phasenseparierten Region zeigt, daß die Spektralfunktion der Photoemission sehr diskontinuierlich ist. Diese Eigenschaft erinnert an ein Interferenz-Szenario, das durch eine Superposition einer kontinuierlichen Dispersion mit einem regulären Muster erzeugt wird. Die Beschaffenheit eines phasenseparierten "Regimes" in einer Simulation mit periodischen Randbedingungen kann der Ursprung dieses regulären Musters sein.