Universität zu Köln

Krüger, Frank (2004). Fluctuations of spin and charge in stripe phases of layered antiferromagnets. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The formation of stripes in layered cuprate high-Tc superconductors and closely related nickelate compounds is generic. Doped charge carriers condense into spontaneously generated anti-phase domain walls between antiferromagnetic insulating regions. In this thesis fluctuations of spin and charge in these two-dimensional stripe superstructures are investigated. The first part addresses the phenomenon of spin-charge separation. Experimentally charge ordering of stripes is always observed at a higher temperature than the magnetic ordering. The melting of stripes mediated by the unbinding of different types of topological defects, namely charge dislocations, charge loops, and spin vortices is studied. The phase diagram and the critical properties of the phase transitions are calculated in the framework of a renormalization-group analysis in the Coulomb-gas representation of these defects, which interact logarithmically on large scales in two dimensions. Depending on which type of defect proliferates we identify four different phases characterized by the range of charge order, spin order, and a less accessible collinear order. From the resulting phase diagram several scenarios of spin-charge separation are possible. Depending on the interaction parameters the orders can disappear at a single transition or in a sequence of two transitions. In the second part the spin dynamics of stripes is studied in the framework of a linear spin-wave theory for a minimalistic spin-only model. The magnon dispersion and the magnetic zero temperature structure factor are calculated for diagonal and vertical stripes since both configurations are realized in doped layered antiferromagnets. Acoustical as well as optical bands are included in the analysis. Incommensurate spin fluctuations and the commensurate pi-resonance at the antiferromagnetic wave vector appear as complementary features of the band structure at different energy scales. The dependence of the spin-wave velocities and the resonance frequencies on the stripe spacing and coupling is calculated. At low doping, the resonance frequency is found to scale inversely proportional to the stripe spacing. Finally, we extend our minimalistic model to a bilayer, allowing for several stripe configurations which differ by the relative location of the stripes in the layers. Again the spectral properties are calculated in linear spin-wave theory. We focus on the bilayer splitting of the magnon bands near the incommensurate low energy peaks as well as near the pi- resonance, distinguishing between the odd and even channel. We find that an x-shaped dispersion near the pi-resonance is generic for stripes. The favorable comparison of the results to experimental data suggests that the spin-only model provides a suitable and simple basis for calculating and understanding the spin dynamics of stripes

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Spin- und Ladungsfluktuationen in Streifenphasen geschichteter Antiferromagnete German
Translated abstract:	Abstract Language Die Ausbildung von Streifenphasen in geschichteten Kuprat-Hochtemperatursupraleitern und eng verwandten Nickelaten ist generisch. Zusätzliche Ladungsträger, welche aus einer Dotierung der Materialien resultieren, kondensieren in sich spontan herausbildenden Antiphasengrenzen zwischen isolierenden antiferromagnetischen Domänen. In dieser Arbeit werden Spin- und Ladungsfluktuationen in solchen streifenartigen Überstrukturen untersucht. Im ersten Teil der Arbeit wird das Phänomen der Spin- und Ladungsseparation in Streifenphasen untersucht. Experimentell wird Ladungsordnung oberhalb der Temperatur beobachtet, bei welcher die magnetische Ordung einsetzt. Wir studieren das Schmelzen der Streifen, welches durch die thermische Anregung von drei Arten von topologischen Defekten getrieben wird, Ladungsversetzungen, Versetzungsschleifen und Spinwirbel. Da die Defekte in zwei Dimensionen auf großen Längenskalen logarithmisch miteinander wechselwirken, können sie als ein Coulombgas von topologischen Punktladungen aufgefasst werden. Das Phasendiagramm sowie die kritischen Eigenschaften der Phasenübergänge werden im Rahmen einer Renormierungsgruppenanalyse berechnet. Abhängig davon, welche Defektypen dissoziieren, können vier Phasen identifiziert werden. Diese sind charakterisiert durch die Reichweite der Ladungsordnung, der magnetischen Ordnung sowie der kollinearen Ordnung der Spins. Je nach Stärke der Wechselwirkungsparameter können diese Ordnungen simultan oder in einer Sequenz von zwei Übergängen zerstört werden. Im zweiten Teil werden die magnetischen Anregungen eines Streifensystems ausgehend von einem geeignet parametrisierten Heisenbergmodell studiert. Im Rahmen einer Spinwellenrechnung werden die Magnonenbandstruktur sowie der magnetische Strukturfaktor bei verschwindender Temperatur berechnet. Dabei werden sowohl vertikale als auch diagonale Streifen betrachtet, da beide Konfigurationen in dotierten Antiferromagneten beobachtet werden. Neben den für Streifensysteme typischen inkommensurablen Spinfluktuationen weist die Bandstruktur bei einer endlichen Energie einen kritischen Punkt am antiferromagnetischen Wellenvektor auf, welcher mit der pi-Resonanz identifiziert werden kann. Sowohl die Spinwellengeschwindigkeiten als auch die Resonanzfrequenz werden als Funktionen des Streifenabstandes und der Kopplungsstärke berechnet. Für geringe Dotierungen ist die Resonanzfrequenz umgekehrt proportional zum Streifenabstand. Schließlich wird das Modell auf ein Doppelschichtsystem erweitert, wobei verschiedene relative Orientierungen der Streifen in den beiden Ebenen zugelassen werden. Auch hier werden die spektralen Eigenschaften im Rahmen einer Spinwellennäherung berechnet, wobei besonderes Augenmerk auf die Bandaufspaltung in der Nähe der inkommensurablen Niederenergieanregungen sowie der pi-Resonanz gerichtet wird. Eine x-förmige Dispersion in der Nähe der Resonanz stellt sich dabei als charakteristisch heraus. Der Vergleich mit experimentellen Untersuchungen zeigt, dass bereits ein minimalistisches Spinmodell eine erstaunlich gute Beschreibung der magnetischen Anregungen in streifengeordneten Systemen liefert. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Krüger, Frank fkrueger@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-12556
Date:	2004
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 Streifenphasen , Antiferromagnet , Spindynamik , Spin-Ladugs Separation German stripes , antiferromagnets , spin-waves , spin-charge separation English
Date of oral exam:	8 July 2004
Referee:	Name Academic Title Scheidl, Stefan Priv. Doz.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1255