Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2991
Main Title: Neutron Scattering Investigations on 3d and 4f Frustrated Magnetic Insulators
Translated Title: Untersuschungen an frustrierten 3d und 4f Magneten mit Neutronenstreuung
Author(s): Quintero Castro, Diana Lucia
Advisor(s): Lake, Bella
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Diese Dissertation behandelt die Untersuchung von zwei verschiedenen, magnetisch frustrierten Systemen, Sr3Cr2O8 and SrYb2O4. Beide sind elektrische Isolatoren. Im Fall des Sr3Cr2O8 stammt der Magnetismus von dem magnetischen Übergangsmetallion Cr5+. Charakteristisch für das Material ist eine schwache Spin-Bahn Kopplung, ein starkes Kristallfeld und ein unterdrücktes Bahnmoment. Im Fall des SrYb2O4 ist das magnetische Ion das Selten Erden Element Yb, wobei hier die Spin- Bahn Kopplung stark ist und das Bahnmoment im Rahmen der Hundt’schen Regeln zum Gesamtmoment beiträgt. Dementsprechend wird hier das Verhalten von zwei verschiedenen Systemen untersucht, die magnetisch hochkorreliert sind. Sr3Cr2O8 besteht aus einer dreidimensionalen Anordnung von Cr5+ Ionen mit Spin −1/2, diese sind als Dimere mit dominanter antiferromagnetischer Wechselwirkung J0 gepaart. Oberhalb der Raumtemperatur bilden die Cr - Ionen ein frustriertes Dreiecksgitter. Die Frustration wird durch eine Jahn-Teller-Verzerrung aufgehoben, was zu einer anisotropen Austauschwechselwirkung führt. Von diesemMaterial konnten Einkristalle hergestellt werden und die magnetischen Eigenschaften wurden mit Messungen der Suszeptibilität, der Hochfeld-Magnetisierung und der inelastischen Neutronenstreuung untersucht und analysiert. Die Experimente ermöglichten die Detektion von drei Magnonenmoden, die alle als Singlet -Triplet Anregungen identifiziert werden konnten. Die Dispersion konnte mit Hilfe des Heißenbergmodells und einer ‘Random Phase’ Näherung erklärt werden. Die Konkurrenz zwischen Quanten und thermischen Fluktuationen wurde schließlich mit einer temperaturabhängigen Messung der Linienbreiten der Anregungen untersucht. Die zweite Verbindung, SrYb2O4, ist ein geometrisch frustriertes magnetisches System, das eine Reihe eng zusammenhängender magnetischer Eigenschaften aufweist. Die Kristallstruktur wurde mit Neutronenstreuexperimenten an Pulver- und Einkristallproben untersucht. Die magnetischen Yb3+ Ionen (J = 7/2) bilden Zickzack- Ketten, welche aus kantenteilenden Oktaedern gebildet werden. Nur eines der beiden unabhängigen Yb Ionen gehört zu jeweils einer Kette. Messungen der spezifischen Wärme zeigen einen magnetischen Phasenübergang bei TN = 0.9 K. Untersuchungen mittels Neutronenstreuung erlaubten die Bestimmung der antiferromagnetischen Struktur. Um die Kristallfeldparameter zu identifizieren, wurden zusätzlich inelastische Neutronenstreuexperimente an Pulverproben bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt. Die erhaltenen Daten wurden theoretisch analysiert und mittels einer Fit-Software konnten die entsprechenden Kristallfeldparameter bestimmt werden. Inelastische Neutronenstreuexperimente an Einkristallen zeigten niederenergetische magnetische Anregungen unterhalb TN; oberhalb TN führen kurzreichweitige Korrelationen zu diffuser Streuung. Mit Messungen der spezifischen Wärme und des magnetokalorischen Effekts wurde das magnetische Phasendiagramm bestimmt, die dabei gewonnenen Ergebnisse deuten auf ein beträchtliches anisotropes Verhalten hin. An beiden Substanzen wird hier eine Vielzahl komplexer magnetischer Eigenschaften beschrieben. Die gewonnenen Resultate bilden eine gute Grundlage für weitere Untersuchungen, z.B. des kritischen Verhaltens und neuer magnetischer Zustände.
This thesis deals with the investigation of two different types of magnetic insulating frustrated systems, Sr3Cr2O8 and SrYb2O4. In the case of Sr3Cr2O8, the magnetic ion is a transition metal, the spin orbit coupling is weak while the crystal field effect is big and the orbital moment is quenched. For the case of SrYb2O4, the magnetic ion is a rare earth, the spin orbit coupling is strong, whereas the crystal field is weak and the orbital moment is unquenched, satisfying Hund’s rules. Consequently, the physical behavior of two very different strongly correlated systems is investigated. Sr3Cr2O8 consists of a three dimensional arrangement of spin-1/2 Cr5+ ions, which are paired into dimers by a dominant antiferromagnetic coupling J0. The configuration of the Cr ions makes it a frustrated triangular lattice above room temperature. A Jahn-Teller distortion lifts the frustration and leads to spatially anisotropic exchange interactions. Single crystals of this compound have been grown. The magnetic properties have been studied by the analysis of DC susceptibility, high field magnetization and inelastic neutron scattering data. The experiments reveal three singlet to triplet magnon modes. The dispersion relation could be modeled by using a random phase approximation. The competition between quantum and thermal fluctuations is studied by the measurement of the temperature dependence of the linewidth of the excitations. The second compound, SrYb2O4, is a geometrically frustrated magnet which presents a variety of interrelated magnetic phenomena. The nuclear structure has been investigated by means of powder and single crystal neutron diffraction. The magnetic Yb3+ ions (J=7/2) form zig-zag chains which consists of edge sharing distorted octahedra containing only one of the two crystallographic independent Yb3+ ions. Low temperature heat capacity measurements reveal a magnetic phase transition at TN = 0.9 K. Neutron diffraction studies allow the determination of the antiferromagnetic structure. Powder inelastic scattering experiments at different temperatures have been performed with the aim of understanding the crystal field scheme for this compound. These data have been fitted simultaneously to determine the crystal field parameters. Single crystal inelastic neutron experiments reveal low energy magnetic excitations below TN, while diffuse magnetic scattering above TN suggest the presence of short range magnetic order. Heat capacity and magnetocaloric effect measurements have been performed to map out the magnetic phase diagram, the results imply substantial magnetic anisotropy. Both compounds exhibit a variety of interrelated magnetic phenomena which provide a fertile ground for the investigation of critical behavior and unconventional states of matter.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-32567
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3288
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2991
Exam Date: 1-Sep-2011
Issue Date: 26-Oct-2011
Date Available: 26-Oct-2011
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Festkörperphysik
Magnetismus
Neutronenstreuung
Spektroskopie
Condensed matter
Magnetism
Neutron scattering
Spectroscopy
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 2 Mathematik und Naturwissenschaften » Institut für Festkörperphysik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dokument_6.pdf17.49 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.