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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p.lemmens-at-tu-bs.de, letzte Änderung: 11.04.2005