Universität zu Köln

Schmitz, Robert (2005). Berechnung magnetischer Eigenschaften von LaTiO3 und YTiO3. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Wir untersuchen die Auswirkung der experimentell beobachteten Jahn-Teller-Verzerrung der Sauerstoff-Oktaeder in LaTiO3 auf den magnetischen Austausch. Wir praesentieren ein lokalisiertes Modell fuer das effektive Huepfen zwischen naechstbenachbarten Ti-Ionen und die intra-ionischen Coulomb-Wechselwirkungen, auf einem nicht-entarteten orbitalen Grundzustand gemaess dem statischen Kristallfeld basierend. Letzteres entspricht einer orbitalen Ordnung, die kuerzlich experimentell bestaetigt wurde. Mittels Stoerungstheorie berechnen wir, zusaetzlich zur Heisenberg-Kopplung, antisymmetrische und symmetrische Anisotropie-Terme des Spin-Hamiltonians fuer den Superaustausch, die durch die Spin-Bahn-Kopplung verursacht werden. Unter Verwendung unseres Superaustausch-Hamiltonians leiten wir die magnetische Ordnung bei tiefen Temperaturen ab, die wir in guter Uebereinstimmung mit dem Experiment erhalten, und berechnen das Spinwellen-Spektrum. Die berechnete Spinwellen-Dispersion besteht aus zwei Paaren von quasi-entarteten Zweigen. Das erste Paar weist kleine Luecken im Brillouin-Zonenzentrum auf und befindet sich in guter Uebereinstimmung mit Neutronenstreuungs-Experimenten. Das zweite Paar besitzt erhebliche Luecken im Zonenzentrum und ist noch nicht per Neutronenstreuung detektiert worden, jedoch befinden sich diese Luecken in befriedigender Uebereinstimmung mit aktuellen Raman-Daten. Wir wenden unsere Methode auch auf YTiO3 an. Waehrend die Heisenberg-Kopplungen, die wir hierfuer berechnen, sich fuer bestimmte Ti-Ti-Bonds als unrealistisch herausstellen, sind die berechneten anisotropen Kopplungen moeglicherweise realistisch. Unter Verwendung einer Kombination der berechneten anisotropen Kopplungen mit aus dem Experiment abgeleiteten Heisenberg-Kopplungen berechnen wir den klassischen magnetischen Grundzustand von YTiO3, den wir in guter Uebereinstimmung mit dem Experiment erhalten, und das Spinwellen-Spektrum. Wir erhalten vier hochgradig nichtentartete Spinwellen-Zweige. Die berechnete Spinwellen-Mode mit der kleinsten Luecke im Zonenzentrum befindet sich in befriedigender Uebereinstimmung mit Neutronenstreuungs-Daten. Die drei Moden mit hoeheren Energien sind experimentell noch nicht detektiert worden.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Calculation of magnetic properties of LaTiO3 and YTiO3 English
Translated abstract:	Abstract Language We investigate the effect of the experimentally observed Jahn-Teller distortion of the oxygen octahedra in LaTiO3 on the magnetic exchange. We present a localized model for the effective hopping between nearest-neighbor Ti ions and the intra-site Coulomb interactions, based on a non-degenerate orbital ground state due to the static crystal field. The latter corresponds to an orbital order which recently has been confirmed experimentally. Using perturbation theory we calculate, in addition to the Heisenberg coupling, antisymmetric and symmetric anisotropy terms of the superexchange spin Hamiltonian which are caused by the spin-orbit interaction. Employing our superexchange Hamiltonian, we deduce the magnetic order at low temperatures, which is found to be in satisfying agreement with experiment, and calculate the spin-wave spectrum. The calculated spin-wave dispersion consists of two pairs of quasi-degenerate branches. The first pair has small zone-center gaps and is found to be in satisfying agreement with neutron-scattering experiments. The second pair has considerable zone-center gaps and has not been detected yet by neutron scattering, but these gaps are in satisfying agreement with recent Raman data. We apply our method to YTiO3 as well. While the Heisenberg couplings we calculate for this system are found to be unrealistic for certain Ti-Ti bonds, the calculated anisotropic spin couplings might nevertheless be realistic. Using a combination of the calculated anisotropic couplings and experimentally deduced Heisenberg couplings, we calculate the classical magnetic ground state of YTiO3, which is found to be in satisfying agreement with experiment, and the spin-wave spectrum. We obtain four highly non-degenerate spin-wave branches. The calculated spin-wave mode with the smallest zone-center gap is in satisfying agreement with neutron-scattering data. The three modes with higher energies have not yet been detected experimentally. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Schmitz, Robert rs@thp.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-14168
Date:	2005
Language:	German
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 Stark korrelierte Elektronensysteme , orbitale Ordnung , magnetische Ordnung , Spinwellen German Strongly correlated electron systems , orbital order , magnetic order , spin waves English
Date of oral exam:	31 January 2005
Referee:	Name Academic Title Mueller-Hartmann, Erwin Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1416