Universität zu Köln

Zacharias, Mario (2014). Mott Transition and Quantum Critical Metamagnetism on Compressible Lattices. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Solid state phase transitions, which are amenable to pressure, generically, have an intrinsic coupling of the order parameter to the elastic degrees of freedom. The applied pressure primarily affects the lattice by varying the lattice spacing which, in turn, modifies the coupling constants of the critical degrees of freedom. Therefore, a coupling of the strain to the order parameter can strongly affect the phase transition. In this Thesis we investigate this influence on the finite temperature critical point of the Mott metal-insulator transition and the zero temperature quantum critical metamagnetic endpoint. The universality class of the Mott endpoint is a topic which is still under debate. In this Thesis, we show that the nature of the Mott transition is drastically changed when interacting with a compressible lattice. The expected Ising criticality of the electronic system is preempted by an isostructural instability. Due to long ranged shear forces, in the vicinity of the critical endpoint an elastic Landau regime emerges, where the system shows mean-field behavior. The smoking gun criterion to detect the elastic Landau regime is the breakdown of Hooke's law, i.e. a non-linear stress-strain relation. Furthermore, the specific heat coefficient exhibits a finite mean field jump at the transition. For the family of organic salts Kappa-(BEDT-TTF)_2 X, we determine the extent of the elastic Landau regime as \Delta T^\star \approx 2.5 K and \Delta p^\star \approx 50 bar based on thermal expansion experiments. In the second part, we investigate the quantum critical endpoint of itinerant metamagnets. Recently, it was suggested that quantum critical metamagnetism is a generic feature in itinerant ferromagnets such as UCoAl and UGe_2. Within the framework of spin fluctuation theory, we determine the free energy and its temperature dependence, obtained by fluctuation renormalizations, and deduce the critical thermodynamics. Importantly, the compressibility shows the same behavior as the susceptibility which, by definition, diverges at a metamagnetic transition. Therefore, the metamagnetic quantum critical endpoint is intrinsically unstable towards an isostructural transition. This isostructural transition preempts the metamagnetic quantum critical endpoint and the elastic degrees of freedom crucially alter the critical thermodynamics. Most importantly, at the critical field we obtain for lowest but finite temperatures a regime of critical elasticity which is characterized by unusual power laws of the thermodynamic quantities. Whereas the thermal expansion has a much stronger temperature divergence for fields close to the critical field, the specific heat divergence is cut off upon entering this regime. As a consequence, the Grüneisen parameter diverges with an unusual high power of temperature.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Mottübergang und quantenkritischer Metamagnetismus in kompressiblen Gittern German
Translated abstract:	Abstract Language Druckabhängige Phasenübergänge in Festkörpern sind stets an die elastischen Freiheitsgrade des Gitters gekoppelt. Der angelegte Druck wirkt auf das Gitter, indem der Gitterabstand verändert wird, was wiederum die Wechselwirkung der kritischen Freiheitsgrade beeinflusst. Daher kann eine Kopplung zwischen Gitterspannung und Ordnungsparameter den Phasenübergang stark beeinflussen. In dieser Arbeit betrachten wir die Auswirkung einer solchen Kopplung auf den Mott Metall-Isolator Übergang, der bei endlichen Temperaturen stattfindet, sowie den quantenkritischen metamagnetischen Endpunkt bei T=0. Die Frage nach der Universalitätsklasse des kritischen Endpunktes des Mott-Übergangs ist noch immer nicht abschließend geklärt. In dieser Arbeit zeigen wir, dass der Charakter des Mott-Übergangs sich drastisch ändert, wenn man Wechselwirkungen mit einem kompressiblen Gitter in Betracht zieht. Dem erwarteten Ising-kritischen Verhalten des elektronischen Systems kommt ein isostruktureller Phasenübergang zuvor. Auf Grund von langreichweitigen Scherkräften im Kristall bildet sich in der unmittelbaren Nähe des kritischen Punktes ein elastisches Landau-Regime, in dem das System Mean-Field Verhalten zeigt. Dieses elastische Landau-Regime kann eindeutig durch die Verletzung des Hooke'schen Gesetzes identifiziert werden, das eine linearen Zusammenhang zwischen der mechanischen Spannung und der resultierenden Ausdehnung voraussagt. Des Weiteren springt die spezifische Wärme Mean-Field-artig am Übergang. Basierend auf Messungen der thermischen Ausdehnung, können wir für die Familie organischer Salze \ Kappa-(BEDT-TTF)_2 X die Ausmaße des elastischen Landau-Regimes abschätzen und erhalten \Delta T^\star \approx 2.5 K und \Delta p^\star \approx 50 bar. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchen wir den quantenkritischen Endpunkt von itineranten Metamagneten. Kürzlich wurde darauf hingewiesen, dass dieser ganz allgemein in itineranten Ferromagneten wie UCoAl und UGe_2 auftritt. Im Rahmen der Spin-Fluktuationstheorie bestimmen wir die Temperaturabhängigkeit der freien Energie und folgern die kritischen thermodynamischen Eigenschaften. Bemerkenswerterweise ist die Kompressibilität proportional zur Suszeptibilität, welche am metamagnetischen Übergang divergiert. Daher der metamagnetische quantenkritische Endpunkt intrinsisch instabil gegenüber einem isostrukturellen Übergang. Dieser isostrukturelle Phasenübergang kommt dem metamagnetischen quantenkritischen Endpunkt zuvor und die elastischen Freiheitsgrade verändern entscheidend die Thermodynamik. Insbesondere finden wir am kritische Magnetfeld bei tiefsten aber endlichen Temperaturen einen Regime der kritischen Elastizität das durch ungewöhnliche Potenzgesetze der kritischen thermodynamischen Größen charakterisiert ist. Während die thermische Ausdehnung nahe des quantenkritischen Endpunktes stärker als üblich mit fallender Temperatur divergiert, wird die Divergenz der spezifischen Wärme abgeschnitten. Daraus resultiert eine erstaunlich hohe Divergenz des Grüneisenparameters als Funktion der Temperatur. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Zacharias, Mario M_zacharias@web.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-55268
Date:	2014
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute for Theoretical Physics
Subjects:	Natural sciences and mathematics Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Compressible Lattices, Elasticity, Quantum Criticality, Metamagnetism, Mott Transition, Kappa-(BEDT-TTF)_2 X, V_2O_3, Sr_3Ru_2O_7, English Kompressible Gitter, Elastizitätstheorie, Quantenkritikalität, Metamagnetismus, Mottübergang, Kappa-(BEDT-TTF)_2 X, V_2O_3, Sr_3Ru_2O_7, German
Date of oral exam:	2 July 2013
Referee:	Name Academic Title Garst, Markus Priv.Doz. Dr. Rosch, Achim Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5526