Die frustrierte Spin-Peierls-Verbindung CuGeO3 |
In der Verbindung CuGeO3 sind Spinketten über ein Ge-O-Netzwerk zu einer zweidimensionalen Struktur verknüpft. Die magnetischen Eigenschaften werden von den CuO-Spinketten bestimmt, die einen großen Winkel (ca. 990) zwischen den Cu2+-Ionen und den O2--Ionen einschließen. |
Die magnetische Austauschwechselwirkung (J1) zwischen zwei benachbarten Cu ist reduziert und Austausch zum übernächsten Nachbarn (J2) wird relevant für die magnetischen Eigenschaften. Da die Wechselwirkungen antiferromagnetisch sind (J1, J2 < 0), konkurrieren die Wechselwirkungen zwischen nächsten und übernächsten Nachbarn. Dies führt zu Spin-Frustration. |
Für tiefe Temperaturen (T<14K) beobachtet man einen Phasenübergang. Das Kristallgitter wird verzerrt, so dass die Abstände zwischen zwei Cu-Ionen alternieren. Die Spinkette ist jetzt dimerisiert, da jeweils zwei Cu-Ionen einen kleineren Abstand haben. Dieser Spin-Peierls-Übergang führt zu einem unmagnetischen Grundzustand und einer Anregungslücke im magnetischen Spektrum (spin gap). In der magnetischen Suszeptibilität beobachtet man einen drastischen Abfall. |
In der Neutronenstreuung beobachtet man die Anregungslücke (DT) als scharfes Maximum in der Streuintensität. Dieser Peak entspricht dem Aufbrechen eines Cu-Cu-Dimers. Bei der doppelten Energie (2DT) setzt ein Streukontinuum ein. |
Für die inelastische Lichtstreuung (Raman) gelten anderen Auswahlregeln. Hier können in erster Näherung nur unmagnetische Anregungen beobachtet werden. Die beobachtete Anregung (DS) ist ein "gebundener Singulett-Zustand" (S=0), der aus zwei Triplett-Anregungen (S=1) zusammengesetzt ist. Die Bindungsenergie dieses Zustands entspricht der Absenkung seiner Energie unter 2DT. Ein großer Teil dieser Bindungsenergie beruht auf Spin-Frustration. Zwischenketten- und Spin-Phonon-Wechselwirkung können allerdings auch zur Bindung beitragen. In erster Näherung erwartet man ein lineares Bindungspotential, mit Zuständen im Energieinterval [DT...2DT]. Diese gebundenen Zustände weisen gewisse Parallelen auf zu den Exzitonen in Halbleitern oder den Quark-gebundenen Mesonen. |
Aus der Untersuchung der gebundenen Zustände in CuGeO3 und anderen Verbindungen mittels Raman-Streuung kann man sehr viel über das Wechselspiel von Magnetismus und Gitterstruktur lernen. |
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