Universität zu Köln

Buhrandt, Stefan (2015). Magnetic monopoles in chiral magnets & frustrated magnetism on the swedenborgite lattice. PhD thesis, Universität zu Köln.

Preview

PDF (PhD Thesis) thesis_final.pdf - Published Version Download (35MB)

Abstract

This thesis deals with magnetic order in condensed matter systems and is divided into three parts. The first part gives a closed and self-contained introduction to the Monte Carlo methods used within this thesis with a special emphasis on a recently introduced feedback optimized parallel tempering algorithm. The second part deals with chiral magnets, i.e. magnets without inversion symmetry in their crystal structure. In these systems, weak spin-orbit coupling leads to the formation of smooth helical structures with a long periodicity. In 2009, the existence of a novel magnetic phase consisting of topological stable whirls, so-called skyrmions, was discovered in these materials. Due to their topological stability and the fact that they can be packed very densely, skyrmions are currently considered as promising candidates for future data storage applications. In this part of the thesis, I analyze how the topological protection of these objects is destroyed during the phase transition into another (non-topological) phase. It turns out that the underlying microscopic process is governed by the movement of monopoles of an emergent magnetic field created by the skyrmions. The third part of this thesis deals with frustrated spin systems. In these systems with antiferromagnetic interactions, a special lattice geometry excludes the simultaneous satisfaction of all competing interactions which often results in a macroscopic ground state degeneracy. Fluctuations between these different ground states prevent the system from developing long-range order and it remains disordered at all temperatures, which is why these systems are often referred to as "spin-liquids". Interestingly, there exists an intrinsic effect called "order-by-disorder", in which this degeneracy can be lifted at least partially at finite temperatures due to entropic reasons, provided that the ground states differ in their excitation spectra. I present the first detailed theoretical study of the recently synthesized swedenborgite compounds and show that these systems realize spin-liquid ground states both for the Ising and Heisenberg model. In the latter case, the order-by-disorder effect is found to result in the entropic preference of coplanar ground states at low temperatures.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Magnetische Monopole in chiralen Magneten & frustrierter Magnetismus auf dem Schwedenborgit Gitter German Magnetische monopolen in chirale magneten & gefrustreerd magnetisme op het Swedenborgite rooster Dutch
Translated abstract:	Abstract Language Diese Arbeit befasst sich mit der magnetischen Ordnung in Festkörpern und gliedert sich in drei Themenkomplexe. Im ersten Teil werden zunächst die verwendeten Monte Carlo Methoden ausführlich und in sich geschlossen vorgestellt, wobei der in dieser Arbeit vielfach benutzte feedback optimierte Parallel Tempering Algorithmus gesondert behandelt wird. Der zweite Teil befasst sich mit chiralen Magneten, d.h. Magneten ohne Inversionssymmetrie in der Kristallstruktur. In diesen Systemen führt die schwache Spin-Bahn Kopplung zur Bildung von helischen Strukturen mit langer Periode. Im Jahr 2009 wurde erstmals die Existenz einer neuartigen magnetischen Phase, bestehend aus topologisch stabilen magnetischen Wirbeln, sogenannten Skyrmionen, in diesen Systemen nachgewiesen. Aufgrund ihrer topologischen Stabilität und der Tatsache, dass sie auf kleinstem Raum nebeneinander existieren können, werden Skyrmionen derzeit u.a. als vielversprechende Möglichkeit zur Datenspeicherung diskutiert. In diesem Teil der Arbeit untersuche ich, wie der topologische Schutz dieser Objekte beim Phasenübergang in eine andere (nicht-topologische) Phase zerstört wird. Es stellt sich dabei heraus, dass der zugrunde liegende mikroskopische Prozess durch die Bewegung von Monopolen eines emergenten, d.h. von den Skyrmion erzeugten Magnetfeldes beschrieben werden kann. Der dritte Teile dieser Arbeit befasst sich mit frustrierten Spinsystemen. In diesen Systemen mit antiferromagnetischen Wechselwirkungen ist aufgrund der besonderen Gitterstruktur eine gleichzeitige Befriedigung aller Wechselwirkungen nicht möglich, was oftmals in einem makroskopisch entarteten Grundzustand resultiert. Fluktuationen zwischen diesen Grundzuständen verhindern die Ausbildung von langreichweitiger Ordnung bei allen Temperaturen, weshalb diese Systeme häufig auch als "Spin-Flüssigkeit" bezeichnet werden. Die Entartung des Grundzustands kann durch einen als "Ordnung-durch-Unordnung" bekannten, intrinsischen Effekt teilweise wieder aufgehoben werden, vorrausgesetzt, dass die Grundzustände sich in ihren Anregungsspektren unterscheiden. In diesem Kontext präsentiere ich die erste systematische Studie der erst kürzlich synthetisch hergestellten Schwedenborgit Verbindungen und zeige, dass der Grundzustand dieser Systeme sowohl für das Ising-, als auch das Heisenberg-Modell Spin-Flüssigkeitsverhalten aufweist. Darüber hinaus zeige ich, dass der Ordnung-durch-Unordnung Effekt im Heisenberg-Modell auftritt und zur entropischen Bevorzugung von koplanaren Grundzuständen bei tiefen Temperaturen führt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Buhrandt, Stefan stefan.buhrandt@googlemail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-60081
Date:	2 February 2015
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute for Theoretical Physics
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language chiral magnets, monopoles, frustration, swedenborgite, swedenborgites, order-by-disorder, Monte Carlo, Monte-Carlo, MC, English
Date of oral exam:	20 February 2015
Referee:	Name Academic Title Rosch, Achim Prof. Dr. Stoof, Henk Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6008