Aktuelle Probleme der Theorie von frustrierten quasi-eindimensionalen Quantenmagneten: Konkurrierende Wechselwirkungen, helikale Spinstrukturen, Quantenphasenübergänge
Final Report Abstract
Im Fokus des Projektes standen frustrierte niedrig-dimensionale magnetische Systeme mit Spinquantenzahl s = 1/2. In solchen Systemen sind die Quantenfluktuationen häufig stark und das Zusammenwirken von Frustration und Quanteneffekten kann bei tiefen Temperaturen zu Quantenphasen mit ungewöhnlichen Eigenschaften führen. Eine Materialklasse, die solche Eigenschaften aufweist und mit denen wir uns im Rahmen des Projektes auch intensiv beschäftigt haben, sind die sog. kantenvernetzten (’edge-shared’) Kuprate, wie z.B. Li2 ZrCuO4 , LiVCuO4 oder Li(Na)Cu2 O2. Für diese frustrierten quasi-eindimensionalen (1D) Quanten-Spin-Verbindungen sind in den letzten Jahren viele neue Resultate, unter anderem auch von den Berichterstattern, publiziert worden. Nach wie vor stehen diese Materialien und die zugehörigen theoretischen Modelle im Fokus aktiver experimenteller und theoretischer Forschung. Die theoretische Behandlung dieser Systeme stellt auf Grund der durch die Frustration verursachten inkommensurablen Spin-Spin-Korrelationen eine besondere Herausforderung dar. Insbesondere sind manche etablierte Standard-Methoden, wie z.B. die Quanten-Monte-Carlo-Methode, nicht anwendbar. Im Projekt ist ein Bündel von modernen Methoden der Vielteilchentheorie wie z.B. die exakte Diagonalisierung, die Dichtematrix-Renormierungsgruppe, die Coupleda Cluster-Methode und die Methode der Greenschen Funktionen zur Klärung von für diese quasi-1D Systeme relevanten physikalischen Fragestellungen angewendet worden. Untersucht wurden u.a. die helikale (spiralartige) Spinstruktur, die ungewöhnlichen magnetischen und ferroelektrischen Eigenschaften und der Einfluss der Frustration auf die Thermodynamik. Durch die Zusammenarbeit mit experimentellen Gruppen konnten wir auch theoretische und experimentelle Untersuchungen kombinieren.
Publications
- Ground-state phases of the spin-1/2 J1 –J2 Heisenberg antiferromagnet on the square lattice: A high-order coupled cluster treatment” Phys. Rev. B 78, 214415 (2008)
R. Darradi, O. Derzhko, R. Zinke, J. Schulenburg, S. E. Krüger, and J. Richter
- ”Magnetic ordering of weakly coupled frustrated quantum spin chains” Phys. Rev. B 78, 014429 (2008)
A.A. Zvyagin and S.-L. Drechsler
- ”Temperature-dependent optical conductivity of undoped cuprates with weak exchange” Phys. Rev, B 78, 060508 (2008)
J. Málek, S.L. Drechsler, U. Nitzsche, H. Rosner, and H. Eschrig
- ”Thermodynamics of a one-dimensional frustrated spin-1/2 Heisenberg ferromagnet” Phys. Rev. B 78, 174412 (2008)
M. Härtel, J. Richter, D. Ihle, and S.-L. Drechsler
- ”Influence of an inter-chain coupling on spiral ground-state correlations in frustrated spin-1/2 J1 -J2 Heisenberg chains” Phys. Rev. B 79, 094425 (2009)
R. Zinke, S.-L. Drechsler and J. Richter
- ”Spiral correlations in frustrated one-dimensional spin-1/2 Heisenberg J1 -J2 -J3 ferromagnets” J. Phys.: Condens. Matter 22 446002 (2010)
R. Zinke, J. Richter, and S.-L. Drechsler
- ”Thermodynamics of a two-dimensional frustrated spin- 1 Heisenberg ferromagnet” Phys. Rev. B 81, 174421 (2010)
M. Härtel, J. Richter, D. Ihle, and S.-L. Drechsler
- ”Saturation field of frustrated chains: Broad regions of predominant interchain coupling” Phys. Rev. Lett. 107, 097201 (2011)
S. Nishimoto, S.-L. Drechsler, R.O. Kuzian, J. Richter, J. van den Brink, W.E.A. Lorenz, Y. Skourski, R. Klingeler, and B. Büchner
- ”Spin Gap in the Zigzag Spin- 1/2 Chain Cuprate Sr0.9 Ca0.1 CuO2 ” Phys. Rev. Lett. 107, 017203 (2011)
F. Hammerath, S. Nishimoto, H.J. Grafe, A. Wolter, V. Kataev, P. Ribeiro, C. Hess, S.-L. Drechsler, and B. Büchner
