Metallic Magnets without Inversion Symmetry and Antiferromagnetic Quantum Critical Points

Fischer, Inga Anita (2006). Metallic Magnets without Inversion Symmetry and Antiferromagnetic Quantum Critical Points. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

This thesis focusses on two classes of systems that exhibit non-Fermi liquid behaviour in experiments: we investigated aspects of chiral ferromagnets and of antiferromagnetic metals close to a quantum critical point. In chiral ferromagnets, the absence of inversion symmetry makes spin-orbit coupling possible, which leads to a helical modulation of the ferromagnetically ordered state. We studied the motion of electrons in the magnetically ordered state of a metal without inversion symmetry by calculating their generic band-structure. We found that spin-orbit coupling, although weak, has a profound effect on the shape of the Fermi surface: On a large portion of the Fermi surface the electron motion parallel to the helix practically stops. Signatures of this effect can be expected to show up in measurements of the anomalous Hall effect. Recent neutron scattering experiments uncovered the existence of a peculiar kind of partial order in a region of the phase diagram adjacent to the ordered state of the chiral ferromagnet MnSi. Starting from the premise that this partially ordered state is a thermodynamically distinct phase, we investigated an extended Ginzburg-Landau theory for chiral ferromagnets. In a certain parameter regime of the Ginzburg-Landau theory we identified crystalline phases that are reminiscent of the so-called blue phases in liquid crystals. Many antiferromagnetic heavy-fermion systems can be tuned into a regime where they exhibit non-Fermi liquid exponents in the temperature dependence of thermodynamic quantities such as the specific heat capacity; this behaviour could be due to a quantum critical point. If the quantum critical behaviour is field-induced, the external field does not only suppress antiferromagnetism but also induces spin precession and thereby influences the dynamics of the order parameter. We investigated the quantum critical behavior of clean antiferromagnetic metals subject to a static, spatially uniform external magnetic field. We studied how the interplay of precession and damping affects various thermodynamic and transport quantities. We found that the susceptibility d M/d B is the thermodynamic quantity which shows the most significant change upon approaching the quantum critical point and which gives experimental access to the (dangerously irrelevant) spin-spin interactions. Finally, we studied the quantum critical behaviour of two-dimensional antiferromagnetic metals. Going beyond an order parameter theory, we included the electronic quasiparticles as well as the fluctuating magnetization in a functional Renormalization Group calculation. Preliminary results indicate a divergence in the fRG-equations already at a finite distance from the quantum critical point - this is incompatible with the Hertz-Millis picture.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Metallische Magneten ohne Inversionssymmetrie und antiferromagnetische quantenkritische Punkte	German

Translated abstract:

Abstract

Language

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit zwei Klassen von Systemen, die Nichtfermiflüssigkeitsverhalten zeigen: Wir untersuchten Aspekte von Helimagneten und von antiferromagnetischen Metallen in der Nähe eines quantenkritischen Punktes. Helimagneten besitzen keine Inversionssymmetrie; in diesen Substanzen tritt daher Spin-Bahn-Kopplung auf, die magnetische Spiral-Ordnung hervorruft. Wir untersuchten die Bewegung von Elektronen in der magnetisch geordneten Phase eines Metalls ohne Inversionssymmetrie. Schon schwache Spin-Bahn-Kopplung verändert die Form der Fermifläche drastisch: Elektronen von einem großen Teil der Fermifläche können sich nicht mehr parallel zur Spiralachse bewegen. Dieser Effekt kann Auswirkungen in Experimenten zur Messung des anomalen Hall-Effektes zeigen. Der Helimagnet MnSi zeigt in Neutronenstreuexperimenten nicht nur Spiral-Ordnung, sondern auch einen partiell geordneten Zustand, der an die spiral-geordnete Phase angrenzt. Unter der Annahme, dass dieser partiell geordnete Zustand eine separate Phase darstellt, untersuchten wir eine erweiterte Ginzburg-Landau-Theorie für chirale Ferromagneten. In einem gewissen Parameterbereich dieser Theorie konnten wir kristalline Phasen identifizieren, die starke Ähnlichkeit mit den sogenannten ``Blauen Phasen'' in Flüssigkristallen aufweisen. Viele antiferromagnetische Schwer-Fermion-Systeme zeigen in einem bestimmten Parameterbereich Nichtfermiflüssigkeitsverhalten z.B. in der Temperaturabhängigkeit von thermodynamischen Größen wie der spezifischen Wärmekapazität. Dieses Verhalten könnte auf einen quantenkritischen Punkt hindeuten. Im Fall von feldinduziertem quantenkritischen Verhalten unterdrückt das externe Magnetfeld nicht nur den Antiferromagnetismus, es induziert auch Präzession und beeinflusst damit die Dynamik des Ordnungsparameters. Wir untersuchten das quantenkritische Verhalten antiferromagnetischer Metalle ohne Unordnung in einem statischen und räumlich homogenen externen Magnetfeld und betrachteten die Auswirkungen des Zusammenspiels von Präzession und Dämpfung auf verschiedene thermodynamische Größen und Transportgrößen. Insbesondere stellten wir fest, dass die Suszeptibilität d M/d B die thermodynamische Grösse ist, deren Temperaturhängigkeit die stärksten Änderungen in der Nähe des quantenkritischen Punktes aufweist; dies ermöglicht insbesondere einen experimentellen Zugang zur Spin-Spin-Wechselwirkung. Schließlich betrachteten wir das quantenkritische Verhalten zweidimensionaler Antiferromagneten. Unter Verwendung der funktionalen Renormierungsgruppe untersuchten wir eine Theorie, die sowohl die elektronischen Quasiteilchen als auch die fluktuierende Magnetisierung berücksichtigt, und gingen damit über eine Ordnungsparametertheorie hinaus. Erste Ergebnisse weisen auf Divergenzen im Renormierungsgruppenfluss schon bei endlichem Abstand vom quantenkritischen Punkt hin und weichen damit stark von den Vorhersagen der Hertz-Millis-Theorie ab.

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