Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2725
Main Title: Thermal Properties of Dysprosium-Titanate in the Spin Ice State
Translated Title: Thermische Eigenschaften von Dysprosium-Titanat im Spin-Eis Zustand
Author(s): Klemke, Bastian
Advisor(s): Tennant, Alan
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Seit mehr als zehn Jahren dient das Seltene-Erden-Titanat Dy2Ti2O7 als Beispiel für ein geometrisch frustriertes Spin-System (“Spin-Eis”) und ist Gegenstand intensiver Untersuchungen gewesen. Im Jahr 2008 haben C. Castelnovo et al. (Nature 451, 42, 2008) die Existenz von magnetischen Quasiteilchen in Spin-Eis-Materialien wie Dy2Ti2O7 postuliert. Diese durch die Dysprosium-Ionen Dy3+ verursachten magnetischen Anregungen haben die Eigenschaften von magnetischen Monopolen. In einer Reihe von Experimenten wurden mit den Methoden der Neutronenbeugung und der Myonen-Spin-Rotation an einkristallinem Dy2Ti2O7 und Ho2Ti2O7 im Jahr 2009 erste experimentelle Hinweise auf die Existenz von magnetischen Monopolen in Spin-Eis gefunden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Neutronenstreuexperiment durchgeführt, mit dem die Linien, die entgegengesetzte Monopolladungen verbinden (“Dirac-String”), erstmalig nachgewiesen werden konnten. Der Hauptaspekt in dieser Arbeit liegt jedoch auf der Charakterisierung der thermischen Eigenschaften von Dy2Ti2O7: Die spezifische Wärmekapazität, die Wärmeleitfähigkeit und die Temperaturleitfähigkeit wurden im Temperaturbereich von 0.3 K bis 30 K und magnetischen Feldern bis zu 1.5 T gemessen. Seit Beginn der Untersuchungen an Dy2Ti2O7 wurden zahlreiche Messungen der spezifischen Wärmekapazität veröffentlicht. Allerdings zeigen diese bei tiefen Temperaturen (T < 1 K) erhebliche Abweichungen voneinander. Daher führten wir neue Messungen der spezifischen Wärmekapazität im Temperaturbereich von 0.3 K bis 30 K mit besonderem Augenmerk auf den Tieftemperaturbereich durch. Es zeigte sich, dass für T < 1 K die Auswertung der gemessenen Temperatur-Zeit-Profile nicht mit den bisher bekannten Auswertalgorithmen möglich war. Daher adaptierten wir die von P. Strehlow 1994 entwickelte thermodynamische Feldtheorie, mit der schon erfolgreich thermische Relaxationen in Gläsern bei tiefen Temperaturen beschrieben wurden. Unter der Annahme, dass die Gitter-Phononen in Dy2Ti2O7 mit einer Vielzahl von magnetischen Systemen wechselwirken, gelang es, die Temperatur-Zeit-Profile exakt zu beschreiben. Auf Grund der Frustration der Spinbewegungen im Spin-Eis-Zustand thermalisieren die magnetischen Systeme (Monopole) bei tiefen Temperaturen nur sehr langsam, wobei Relaxationszeiten bis zu 100 s nachgewiesen werden konnten. Die zwei identifizierten magnetischen Wärmekapazitäten, mit Relaxationszeiten von 100 s und von 5 s stimmen mit vorherigen Messungen und Monte-Carlo-Simulationen überein. Mit der Methode der thermodynamischen Feldtheorie wurden diese beiden Systeme jedoch erstmalig direkt nachgewiesen. Des Weiteren wurden erstmals Messungen der Wärmeleitfähigkeit im Temperaturbereich von 0.3 K bis 30 K an einem Dy2Ti2O7 Einkristall durchgeführt. Diese Messungen ergaben, dass allein Wärmetransport durch Phononen, aber kein Transport über die magnetischen Systeme stattfindet. Wir konnten nachweisen, dass im Temperaturbereich von 0.3 K bis 3 K schnell relaxierende magnetische Systeme die Phononen resonant streuen. Diese Systeme wurden insbesondere in abschließenden Wärmepulsexperimenten identifiziert, da die gemessenen Temperaturprofile mit der thermodynamischen Feldtheorie exakt beschrieben werden konnten.
For more than a decade, the rare earth titanate Dy2Ti2O7 has attracted much interest as a model material for geometrically frustrated spin systems ("spin ice") and was topic of intensive research. In 2008, C. Castelnovo et al. (Nature 451, 42, 2008) proposed the existence of magnetic quasiparticles in spin ice materials like Dy2Ti2O7. These magnetic excitation caused by the dysprosium ions Dy3+ have the properties of magnetic monopoles. In a series of neutron scattering and muon spin rotation experiments on single crystalline Dy2Ti2O7 and Ho2Ti2O7, respectively, signatures of magnetic monopoles in spin ice have been reported in the year 2009. Within this work a neutron scattering experiment was performed and the strings which connects the opposite monopole charges ("Dirac strings") were detected for the first time. However, this thesis focusses mainly on the characterization of the thermal properties on Dy2Ti2O7: The specific heat, the thermal conductivity and the thermal diffusivity were measured in the temperature range from 0.3 K to 30 K and magnetic fields up to 1.5 T. Since the early studies there were published several measurements on the specific heat of Dy2Ti2O7. However, at low temperatures (T < 1 K) they exhibit obvious differences. Thus we have performed new measurements on the specific heat in the temperature range from 0.3 K to 30 K in particular at low temperatures. For T < 1 K, the analysis of the measured temperature-time-profiles was not successful with the so far known methods. Therefore, we have adapted the thermodynamic field theory, which was developed by P. Strehlow in 1994 and which was approved by describing the thermal relaxation in glasses at low temperature. Assuming that the lattice phonons in Dy2Ti2O7 interact with a multitude of magnetic systems, we can precisely describe the temperature-time-profiles. Due to the frustration of the spin movement in the spin ice phase at low temperatures the magnetic systems (monopoles) thermalize very slow, whereat relaxation times up to 100 s were observed. The two identified magnetic heat capacities which have relaxation times of about 100 s and of about 5 s are in agreement with previously published measurements and Monte-Carlo simulations. However, with the analysis according to thermodynamic field theory both contributions were verified directly for the first time. Furthermore, the thermal conductivity of a Dy2Ti2O7 single crystal was measured in the temperature range from 0.3 K to 30 K for the first time. These measurements exhibits that solely the phonons but not the magnetic systems are transporting the heat. We were able to demonstrate that the fast relaxing magnetic systems scatter the phonons resonantly. Finally, these systems have been identified in heat pulse experiments in particular, since the measured temperature profiles were accurately described by the thermodynamic field theory
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-29424
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3022
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2725
Exam Date: 21-Jan-2011
Issue Date: 10-Feb-2011
Date Available: 10-Feb-2011
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Frustrierter Magnetismus
Magnetische Monopole
Wärmekapazität
Wärmeleitfähigkeit
Frustrated magnetism
Magnetic monopoles
Specific heat
Thermal conductivity
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/
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