Exact solution of the mixed spin-1/2 and spin-S Ising-Heisenberg diamond chain

Abstract

The geometric frustration in a class of the mixed spin-1/2 and spin-S Ising-Heisenberg diamond chains is investigated by combining three exact analytical techniques: Kambe projection method, decoration-iteration transformation and transfer-matrix method. The ground state, the magnetization process and the specific heat as a function of the external magnetic field are particularly examined for different strengths of the geometric frustration. It is shown that the increase of the Heisenberg spin value S raises the number of intermediate magnetization plateaux, which emerge in magnetization curves provided that the ground state is highly degenerate on behalf of a sufficiently strong geometric frustration. On the other hand, all intermediate magnetization plateaux merge into a linear magnetization versus magnetic field dependence in the limit of classical Heisenberg spin S → ∞. The enhanced magnetocaloric effect with cooling rate exceeding the one of paramagnetic salts is also detected when the disordered frustrated phase constitutes the ground state and the external magnetic field is small enough.

Геометричнi фрустрацiї для класу змiшаних спiн-1/2 i спiн-S ромбiчних ланцюжкiв Iзинга-Гайзенберга дослiджуються комбiнуванням трьох точних аналiтичних пiдходiв: проекцiйним методом Камбе, декорацiйно-iтерацiйним перетворенням i методом матрицi переносу. Зокрема, дослiджено основний стан, процес намагнiчення i теплоємнiсть як функцiю зовнiшнього магнiтного поля для рiзних iнтенсивностей геометричної фрустрацiї. Показано, що збiльшення величини гайзенбергового спiна S приводить до появи промiжних плато намагнiченостi, якi виникають у кривiй намагнiченостi, якщо основний стан є сильно вироджений через достатньо сильнi геометричнi фрустрацiї. З iншого боку, всi промiжнi плато намагнiченостi зливаються у лiнiйну намагнiченiсть як функцiю магнiтного поля у границi класичного гайзенбергового спiна S → ∞. Також виявлено посилений магнiтокалоричний ефект з швидкiстю охолодження бiльшою, нiж у парамагнiтних солях, коли невпорядкована фрустрована фаза є основним станом, а зовнiшнє магнiтне поле є достатньо малим.