Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4759
Main Title: Investigation of low dimensional and frustrated spin 1 / 2 magnets
Translated Title: Untersuchung von niedrig-dimensionalen und frustrierten Spin-1/2 Magneten
Author(s): Balz, Christian
Advisor(s): Lake, Bella
Referee(s): Lake, Bella
Boothroyd, Andrew
Hillier, Adrian
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der magnetischen Isolatoren Ca10Cr7O28 und (NO)[Cu(NO3)3]. Die magnetischen Eigenschaften basieren auf den Spin-1/2 3d Übergangsmetallen Cr5+ und Cu2+, welche ein ausgelöschtes Bahnmoment aufweisen, was magnetisch zu einem reinen Spinmoment führt. Der erste Teil dieser Arbeit handelt von dem zweidimensionalen und frustrierten Magnet Ca10Cr7O28. Die detaillierte Analyse der Kristallstruktur und der magnetischen Eigenschaften zeigen die Abwesenheit von langreichweitiger Ordnung bis zu den tiefsten erreichbaren Temperaturen und die Präsenz von langsamen Fluktuationen. Die magnetischen Anregungen sind diffus und auch bei tiefster Temperatur und im Nullfeld ohne Energielücke, was konsistent mit einem Spinflüssigkeits-Grundzustand ist. In der langreichweitig geordneten Phase unter externem Magnetfeld bilden die Anregungen jedoch definierte Spinwellen, woraus die Wechselwirkungsparameter durch Fitten der Spektra mit linearer Spinwellen-Theorie extrahiert werden konnten. Die resultierenden Wechselwirkungen ergeben eine neuartige, frustrierte Struktur basierend auf ferromagnetischen und antiferromagnetischen Doppeldreiecken, welche in einem zweidimensionalen Kagomegitter gekoppelt sind. (NO)[Cu(NO3)3] ist eine eindimensionale, antiferromagnetisch gekoppelte Spin- 1/2 Heisenberg-Kette mit frustrierten Wechselwirkungen zwischen den Ketten, was dem Nersesyan-Tsvelik Modell entspricht. Konkurrierende nächste und übernächste Nachbar-Wechselwirkungen zwischen den Ketten entkoppeln diese und verstärken die niedrige Dimensionalität. Dies wird bestätigt durch das ideale eindimensionale Verhalten, welches hinunter bis zu niedrigen Energien und Temperaturen beobachtet wurde. (NO)[Cu(NO3)3] entwickelt langreichweitige magnetische Ordnung mit einer inkommensurablen Struktur in Form einer Spindichtewelle bei einer stark reduzierten Néel-Temperatur, was mit dem Vorhandensein von Frustration zu erklären ist. Der Phasenübergang wird analysiert und das magnetische Anregungsspektrum wird mit aktuellen theoretischen Modellen für antiferromagnetische Spin-1/2 Heisenberg-Ketten verglichen. Zusammen zeigen diese beiden Materialien, wie Frustration und niedrige Dimensionalität zu komplexem magnetischen Verhalten, sowie zu unkonventionellen magnetischen Grundzuständen führen können.
This thesis describes the experimental investigation of the two magnetic insulators Ca10Cr7O28 and (NO)[Cu(NO3)3]. The magnetic properties are based on the spin-1/2 3d transition metals Cr5+ and Cu2+ which feature quenched orbitals leading to spin-only magnetic moments. The first part of the thesis deals with the two-dimensional, frustrated magnet Ca10Cr7O28. Detailed analysis of the crystal structure and magnetic properties was performed revealing the absence of long-range order down to the lowest accessible temperatures and the presence of slow dynamics. The magnetic excitations are diffuse and gapless at base temperature and zero-field consistent with a spin-liquid ground state. In the long-range ordered high-field phase the excitations however form sharp spin wave modes and the exchange parameters were obtained by fitting the spectra using linear spin wave theory. The resulting exchange constants yield a new type of frustrated structure based on ferromagnetic and antiferromagnetic bi-triangles coupled in a two-dimensional kagome lattice. (NO)[Cu(NO3)3] is a one-dimensional spin-1/2 Heisenberg antiferromagnetic chain compound with frustrated interchain coupling consistent with the Nersesyan-Tsvelik model. Competing nearest and next-nearest neighbor interchain interactions effectively decouple the chains and enhance the low-dimensionality as verified by the ideal one-dimensional behavior observed down to low energies and temperatures. It develops long-range magnetic order with an incommensurate spin density wave structure at a highly suppressed Néel temperature consistent with the presence of frustration. The phase transition is analyzed and the magnetic excitation spectrum is compared to recent theoretical models of the spin-1/2 Heisenberg antiferromagnetic chain. Together these two compounds show how frustration and low-dimensionality lead to complex magnetic behavior and unconventional magnetic ground states.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-72837
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5056
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4759
Exam Date: 24-Sep-2015
Issue Date: 14-Oct-2015
Date Available: 14-Oct-2015
DDC Class: 538 Magnetismus
Subject(s): Niedrig-dimensionaler Magnetismus
frustrierter Magnetismus
Low dimensional magnetism
frustrated magnetism
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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