Das Shastry-Sutherland-Gitter SrCu2(BO3)2  

 

Die Verbindung SrCu2(BO3)2 repräsentiert eine zweidimensionale Anordnung von Spin-Dimeren aus jeweils zwei Cu2+-Ionen mit einem Spin S=1/2, die über Sauerstoff-Superaustausch gekoppelt sind. Es existieren starke (J) und schwächere (J') antiferromagnetische Kopplungen, die miteinander konkurrieren. Diese Spin-Frustration bestimmt das magnetische Verhalten der Verbindung.

 

 

 

Diese Anordnung von gekoppelten Dimeren entspricht dem Shastry-Sutherland-Gitter, das vor einigen Jahren theoretisch untersucht wurde. Erhöht man das Verhältnis (J'/J) über einen kritischen Wert, so geht das System in ein 2D quadratisches Gitter von Spins über. Der damit verbundene Übergang von einem unmagnetischen Singulett-Grundzustand zu einem antiferromagnetisch geordneten Neel-Zustand wird als Quanten-Phasenübergang interpretiert. Das erwartete quantenkritische Verhalten ist zur Zeit Gegenstand intensiver Forschung. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Der Übergang vom Dimer- zum Quadratgitter [nach Y. Yamashita und K. Ueda, ISSP Tokyo]. 

 

Die starke Spin-Frustration führt zu einem unmagnetischen Singulett-Grundzustand und stark wechselwirkenden Anregungen. Gebundenen Zustände haben Singulett- (S=0), Triplett- (S=1) oder Quintuplett-Charakter (S=2). Sie werden in der Lichtstreuung bzw. in der Neutronenstreuung beobachtet. 

 

Raman-Spektrum von SrCu2(BO3)2: Für Energien wenig oberhalb der Spinanregungslücke (spin gap) werden gebundene Zustände beobachtet. Diese beruhen auf konkurrierenden Wechselwirkungen, die die Elementaranregungen lokalisieren und Paarzustände (gebundene Zustände) delokalisieren.

 

In hohen Magnetfeldern bilden sich geordnete Gitter aus lokalisierten Triplett-Zuständen, die Plateaus der Hochfeldmagnetisierung bei den Füllungen 1/8, 1/4 und 1/3 entsprechen. 

 

In der magnetischen Suszeptibilität führt das Spingap bei tiefen Temperaturen (<10K) zu einem drastischen Abfall, der dem unmagnetischen Singulett-Grundzustand entspricht. Ein struktureller Phasenübergang bei T=395K führt zu einer Stufe (siehe Inset), die sich auf eine geänderte magnetische Kopplung zwischen den Dimer-Ebenen zurückführen lässt. In der Hochtemperaturphase sind die Cu-Abstände zwischen den Ebenen gleich. In der Tieftemperaturphase existieren größere und kleiner Abstände durch die "Welligkeit" der Ebenen.

 

 

Weiterführende Literatur: 

Exact Dimer Ground State and Quantized Magnetization Plateaus in the Two-Dimensional Spin System SrCu2(BO3)2, H. Kageyama, et al., PRL82, 3168 (1999).

Direct Evidence for the Localized Single-Triplet and the Dispersive Multiple-Triplets Excitations in SrCu2(BO3)2 probed by Neutron Scattering, H. Kageyama, et al., PRL84, 5876 (2000).

Collective Singlet Excitations and Evolution of Raman Spectral Weights in the 2D Spin Dimer Compound SrCu2(BO3)2, P. Lemmens, et al. PRL85, 2605 (2000).

Structural Physe Transition in the 2D Spin Dimer Compound SrCu2(BO3)2, K. Sparta, et al., J. Europhys. B (2001).

 

 


 
 

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p.lemmens-at-tu-bs.de, letzte Änderung: 15.10.2004