Low energy spin excitations in doped copper oxide spin chains
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurden die niederenergetischen Spinanregungen in den Ni, Zn, Pd, Mg, Co und Ca dotierten Spinketten SrCuO2 und Sr2CuO3 mittels Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) untersucht. Spinketten sind eindimensionale Anordnungen in diesem Falle aus Cu Atomen, die einen Spin S = 1/2 besitzen und nur mit ihren jeweiligen Nachbarn in Kettenrichtung antiferromagnetisch wechselwirken. Aus diesen beiden Gründen, der niedrigen Dimensionalität sowie des kleinstmöglichen Spins, ordnen diese Spinketten nicht langreichweitig antiferromagnetisch bzw. nur bei sehr tiefen Temperaturen bedingt durch die endliche Zwischenkettenkopplung in den realen Verbindungen SrCuO2 und Sr2CuO3. Die Spinanregungen führen bis zu den tiefsten Temperaturen zu einem konstanten Wert der NMR Spin-Gitter-Relaxationsrate T1^-1. Dotierung mit Ni, Zn und Pd verursacht eine Zerteilung der Ketten in endliche Stücke, die eine sogenannte Spinanregungslücke zeigen, deren Größe umgekehrt proportional zu Kettenlänge ist. Diese Spinanregungslücke macht sich durch einen starken Abfall von T1^-1 bei Temperaturen unterhalb der Größenordnung der Anregungslücke bemerkbar. Dies ist theoretisch vorhergesagt, und wurde mit unseren Ergebnissen bestätigt. Außerdem wurden die NMR Spektren gemessen und simuliert. In den Spektren wird eine lokal alternierende Magnetisierung (LAM) sichtbar, die durch die Kettenunterbrechungen zustande kommt. Auch hier stimmen die Messungen mit den theoretisch simulierten Spektren gut überein. Insgesamt konnten die NMR Messungen an SrCuO2 mit 0.25%, 0.5% und 1% Ni, 1% und 2% Zn und 1% Pd sowie 1% und 2% Ni dotiertem Sr2CuO3 durch die Zerteilung in Kettenstücke endlicher Länge erklärt werden. Es zeigte sich kein Unterschied zwischen SrCuO2 und Sr2CuO3, was einen Einfluss der sogenannten Doppelkettenstruktur von SrCuO2 ausschließt. Dieser Einfluss der Doppelkettenstruktur wurde zu Beginn des Projektes auch für Ca Dotierung ausgeschlossen, das aus anderen Gründen zu einer Spinanregungslücke führt, nämlich durch eine strukturell bedingte Alternierung der antiferromagnetischen Wechselwirkung. Für die Zn dotierten Proben zeigte sich, dass nicht das gesamte dotierte Zn in der Probe zu finden war und auch nicht alles Zn das Cu substituierte. Dies scheint ebenfalls für Mg Dotierung der Fall zu sein, das gar keinen Einfluss auf die NMR Spektren sowie die T1^-1 Rate zeigte. Eine Überraschung war, dass sich das Ni genauso verhielt wie die S = 0 Dotierungen Zn und Pd, obwohl erwartet wurde, dass Ni wie in anderen Kupraten im S = 1 Zustand sein sollte. Tatsächlich haben weitere Untersuchungen der Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) sowie theoretische Berechnungen gezeigt, dass Ni in SrCuO2 und Sr2CuO3 im S = 0 Zustand vorliegt. Co Dotierung hingegen als S ≠ 0 Dotierung zeigt ganz andere Ergebnisse. Hier tritt keine LAM in den Spektren auf und auch keine Spinanregungslücke in T1^-1. Im Gegensatz zur S = 0 Dotierung führt Co Dotierung zu einer höheren magnetischen Ordnungstemperatur, verstärkt also die antiferromagnetischen Korrelationen. Damit konnten alle Fragestellungen dieses Projektes vollständig beantwortet werden.
Publications
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The Effect of In-Chain Impurities on 1D Antiferromagnets: An NMR Study on Doped Cuprate Spin Chains
Yannic Utz
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Spin gap in the single spin-1/2 chain cuprate Sr1.9Ca0.1CuO3. Phys. Rev. B 89, 184410 (2014)
Franziska Hammerath, Eva Maria Brüning, Samuele Sanna, Yannic Utz, Neela Sekhar Beesetty, Romouald Saint-Martin, Aexandre Revcolevschi, Christian Hess, Bernd Büchner, and Hans-Joachim Grafe
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Suppression of the impurity-induced local magnetism by the opening of a spin pseudogap in Nidoped Sr2CuO3. Phys. Rev. B 92, 060405(R) (2015)
Yannic Utz, Franziska Hammerath, Satoshi Nishimoto, Christian Hess, Neela Sekhar Beesetty, Romuald Saint-Martin, Alexandre Revcolevschi, Bernd Büchner, and Hans-Joachim Grafe
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Effect of different in-chain impurities on the magnetic properties of the spin chain compound SrCuO2 probed by NMR. Phys. Rev. B 96, 115135 (2017)
Yannic Utz, Franziska Hammerath, Roberto Kraus, Tobias Ritschel, Jochen Geck, Liviu Hozoi, Jeroen van den Brink, Ashwin Mohan, Christian Hess, Koushik Karmakar, Surjeet Singh, Dalila Bounoua, Romuald Saint-Martin, Loreynne Pinsard-Gaudart, Alexandre Revcolevschi, Bernd Büchner, and Hans- Joachim Grafe
