Universität zu Köln

Breunig, Oliver (2015). Thermodynamics of the Spin-Chain Compounds Cs2CoCl4 and Cu(C4H4N2)(NO3)2. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In this thesis the thermodynamic properties of the spin-1/2 chain compounds Cs2CoCl4 and Cu(C4H4N2)(NO3)2 (CuPzN) are investigated. Measurements of the specific heat, the thermal expanison, the magnetization and the magnetocaloric effect in a temperature range from 0.25 to 30 K and in magnetic fields up to 17 T are compared to model calculations. In Cs2CoCl4 a crystal field anisotropy of about 7 K leads to a splitting of the orbital spin-3/2 states of the magnetic Co^{2+} into Kramers doublets. It is shown that the inclusion of excited crystal field states in the application of a spin-1/2 XXZ model to the system is essential for a consistent description of the thermodynamics of Cs2CoCl4. The anisotropy Delta~0.12 of the spin chain is smaller than previously assumed in literature. Below 2 K and for magnetic fields smaller than 4 T the magnetism of Cs2CoCl4 is well described by the XXZ model in a transverse magnetic field. Signatures of a quantum phase transition at 2.0 T are found in the thermodynamic data. Below T_N=0.22 K magnetic order arises. The magnetic phase diagrams for different field directions are derived from the experimental data and the microscopic origins of the appearing phases are discussed. Bordering antiferromagnetism a low-temperature phase is identified that possibly is not a spin-liquid phase as previously suggested in literature. For fields along the crystallographic b axis an additional two-stage spin-flop transition arises. In the mixed compounds Cs_2CoCl_{4-x}Br_x and Cs_3CoCl_{5-y}Br_y a site-selective doping is indicated by structural and thermodynamic investigations. While in the first system an easy-plane type magnetism, similar to the parent compound is found, the latter shows an easy-axis anisotropy and a non-continuous evolution of the low-temperature magnetism. The magnetism of Cu(C4H4N2)(NO3)2 is highly isotropic and well described by the spin-1/2 Heisenberg chain, which shows a quantum phase transition as a function of an external field. In the thesis, the thermodynamics of Cu(C4H4N2)(NO3)2 are compared to exact results of the Heisenberg model including magnetic fields up to and above the critical field of the spin chain. All investigated thermodynamic quantities are described by the model with a high precision and show clear signatures of a quantum phase transition. A coupling constant of 10.60 K is found and all data consistently indicate a critical field of the spin chain of 13.90 T. Approaching the critical field, the specific heat acquires the expected power law, the magnetocaloric effect diverges and a universal scaling law is obeyed.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language In dieser Arbeit werden die thermodynamischen Eigenschaften der Spin-1/2-Ketten Systeme Cs2CoCl4 und Cu(C4H4N2)(NO3)2 untersucht. Messungen der spezifischen Wärme, thermischen Ausdehnung, Magnetisierung und des magnetokalorischen Effektes in einem Temperaturbereich von 0.25 bis 30 K und in Magnetfeldern von bis zu 17 T werden mit Modellrechnungen verglichen. In Cs2CoCl4 führt eine Kristallfeldanisotropie von etwa 7 K zu einer Aufspaltung der Spin-3/2 Zustände der magnetischen Co^{2+} Ionen in Kramers Doubletts. Es wird gezeigt, dass die höherliegenden Kristallfeldzustände bei der Anwendung eines effektiven Spin-1/2 XXZ Modells notwendigerweise berücksichtigt werden müssen, um die Thermodynamik von Cs2CoCl4 konsistent beschreiben zu können. Die Anisotropie Delta~0.12 der Spinkette ist kleiner als zuvor in der Literatur angenommen. Unterhalb von 2 K und in Magnetfeldern von bis zu 4 T ist der Magnetismus von Cs2CoCl4 in guter Übereinstimmung mit dem XXZ Modell in einem transversalen Magnetfeld. Die thermodynamischen Messgrößen zeigen ein Quantenphasenübergang bei einem Feld von 2.0 T an. Unter T_N=0.22 K tritt magnetische Ordnung auf. Aus den experimentellen Daten werden Phasendiagramme für verschiedene Magnetfeldrichtungen abgeleitet und die mikroskopischen Ursprünge der beobachteten Phasen diskutiert. An die antiferromagnetische Phase grenzt eine weitere Tieftemperaturphase, die vermutlich keine Spinflüssigkeitsphase ist, wie zuvor in der Literatur vermutet. In einem Magnetfeld entlang der kristallographischen b Achse tritt zudem ein zweistufiger Spin-Flop Übergang auf. Für die gemischten Systeme Cs_2CoCl_{4-x}Br_x und Cs_3CoCl_{5-y}Br_y deuten strukturelle und thermodynamische Untersuchungen auf einen platz-selektiven Austausch der Ionen hin. In der ersten Dotierungsreihe weist der Magnetismus, ähnlich zur Muttersubstanz, eine XY-artige Anisotropie auf. In Cs_3CoCl_{5-y}Br_y herrscht eine Ising-Anisotropie vor und die Tieftemperatureigenschaften entwickeln sich unstetig als Funktion von y. Der Magnetismus von Cu(C4H4N2)(NO3)2 ist in hohem Maße isotrop und sehr gut durch eine Spin-1/2 Heisenberg Kette beschrieben, die einen Quantenphasenübergang als Funktion des Magnetfeldes aufweist. In dieser Arbeit werden thermodynamische Eigenschaften von Cu(C4H4N2)(NO3)2 mit exakten Ergebnissen für das Heisenberg Modell verglichen, unter Berücksichtigung von Magnetfeldern bis über das kritische Feld hinaus. Alle untersuchten Eigenschaften sind mit hoher Genauigkeit durch das Modell beschrieben und lassen eindeutig auf einen Quantenphasenübergang schließen. Es ergibt sich eine Kopplungskonstante von 10.60 K und ein kritisches Feld von 13.90 T. Nahe des kritischen Feldes zeigt die spezifische Wärme das erwartete Potenzgesetz, der magnetokalorische Effekt divergiert und ein universelles Skalierungsverhalten ist erfüllt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Breunig, Oliver UNSPECIFIED UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-62564
Date:	2015
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics II
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Thermodynamics; Spin Chain; low-dimensional; magnetism; quantum phase transition; Cs2CoCl4; Cu(C4H4N2)(NO3)2; CuPzN; English
Date of oral exam:	24 June 2015
Referee:	Name Academic Title Lorenz, Thomas Prof. Dr. Rosch, Achim Prof. Dr. Zotos, Xenophon Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6256