Wärmetransport in Spin-Eis-Systemen

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Lorenz
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 229725134

Das Ziel des hier beantragten Projekts besteht darin, ein detailliertes Verständnis des Wärmetrans-ports in Spin-Eis-Materialien zu erlangen. Dies betrifft zum einen die Untersuchung des Wärmetrans-ports durch magnetische Anregungen und zum anderen den Einfluss der magnetischen Anregungen auf den phononischen Wärmetransport. Die Spin-Eis-Materialien bestehen aus ecken-verknüpften Tetraedern aus Seltenerdionen mit großen magnetischen Momenten, z.B. Dy3+. Aufgrund von Kristallfeldeffekten können die Momente nur ent-weder in den Tetraeder hinein oder aus diesem herauszeigen. Spin-Eis ist das magnetische Analogon zu kristallinem Eis, wobei die Richtung der magnetischen Momente der Protonverschiebung relativ zu den Sauerstoffionen entspricht. Der Grundzustand wird durch die sog. Eis-Regel 2in-2out bestimmt und weist eine makroskopische Entartung auf. Das besondere Interesse an Spin-Eis resultiert aus den Hinweisen, dass hier fraktionierte elementare Anregungen auftreten, die sich wie magnetische Mono-polanregungen verhalten. Insofern besteht hier eine enge Analogie zu Solitonanregungen, wie sie häufig in niedrigdimensionalen und/oder (magnetisch) frustrierten Systemen auftreten.Zunächst stellt sich die grundlegende Frage, inwiefern die magnetischen Anregungen im Spin-Eis zum Gesamtwärmetransport beitragen und ob hier ein konventionelles Modell magnetischer Dipole oder die Berücksichtigung von deren Zerfall in magnetische Monopole eine adäquatere Beschreibung lie-fert, bzw. in welchem Temperatur- und/oder Magnetfeldbereich das eine oder andere Modell zu favo-risieren ist. Weiterhin soll geklärt werden, wie die magnetischen Anregungen untereinander wechsel-wirken, welche effektiven freien Weglängen und Geschwindigkeiten vorliegen und ob hier eine Rich-tungsabhängigkeit bezüglich der unterschiedlichen Kristallrichtungen auftritt. Von zentraler Bedeutung ist der Einfluss eines externen Magnetfeldes, durch das die Entartung der verschiedenen 2in-2out Spin-Eis-Zustände aufgehoben wird und je nach Feldrichtung unterschiedliche Spinkonfigurationen als Grundzustand realisiert werden. Für die verschiedenen Grundzustände soll geklärt werden, ob ein magnetischer Beitrag zum Wärmetransport vorliegt und inwiefern dieser von der Richtung des Wär-mestroms relativ zum anliegenden Magnetfeld bzw. den Kristallrichtungen abhängt. Weiterhin soll anhand von Substitutionsexperimenten die Kopplung der magnetischen Anregungen an das phononi-sche System sowie an Störstellen studiert werden.Die verschiedenen Spin-Eis-Materialien erlauben eine weitgehende Untersuchung des Spin-Eis-Grundzustands und seiner Anregungen über einen weiten und experimentell gut zu kontrollierenden Parameterbereich. Wir erhoffen uns daher nicht nur weitreichende Erkenntnisse über die spezielle Physik des Spin-Eises, sondern erwarten darüberhinaus auch ein tieferes allgemeines Verständnis frustrierter Grundzustände sowie der Dynamik fraktionierter Anregungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen