31.05.2021
Forschung: Atacamit: Ein Fall schwach gekoppelter S=1/2 Sägezahnketten
(a) Magnetisierung von Atacamit als Funktion eines Magnetfelds parallel zur b-Achse, H||b, für diverse Temperaturen. (b) Visualisierung der dominanten magnetischen Austauschpfade in Form einer Sägezahnkette. Gezeigt ist außerdem die magnetische Struktur zusammen mit der nuklearen und der magnetischen Einheitszelle (schwarze durchgezogene Linien).
Die Sägezahnkette ist eine der Grundpfeiler des frustrierten Quantenmagnetismus. In Abhängigkeit von ihren intrinsischen Austauschkopplungen und einem äußeren Magnetfeld, zeigt sie diverse fundamental wichtige Eigenschaften, wie z.B. Spinflüssigkeits-Verhalten, Valenzbond-Solids, inkompressible Quantenzustände, Spinonanregungen, Solitonen und lokalisierte Magnonen. Während die Sägezahnkette schon seit den frühen 1990er Jahren auf der Agenda stand, bleibt sie bis heute von großem Interesse, einschließlich der Suche nach ihrer Realisierung in konkreten Materialien.
In diesem Umfeld haben wir in einer Kollaboration von Experiment und Theorie das Mineral Atacamit Cu2Cl(OH)3 untersucht. Unsere Rechnungen mittels Dichtefunktional-Theorie ergeben in der Tat ein Spinmodell aus anisotropen Sägezahnketten mit schwachen Zwischenkettenkopplungen. Experimentell haben wir den antiferromagnetisch geordneten Zustand vollständig charakterisiert. Im externen Magnetfeld zeigt die magnetische Ordnung ein komplexes Verhalten, wobei wir oberhalb von 31.5T ein Abflachen der Magnetisierung bei ungefähr Msat/2 beobachten. Während dieses Verhalten dem berühmten Magnetisierungsplateau der Sägezahnkette täuschend ähnlich ist, können wir im Rahmen unserer Untersuchungen jedoch ein völlig anderes und bemerkenswertes Szenario aufdecken. Gestützt auf mehrere sich ergänzende theoretische Zugänge können wir nämlich belegen, dass der Magnetisierungsprozess im Atacamit ein feldinduziertes Verkippen innerhalb eines 3D Netzwerks aus schwach wechselwirkenden Sägezahnketten ist, die sich selbst jeweils in einem Makrospinzustand befinden und eine quasi-2D Zwischenkettenkopplung aufweisen. Dafür schlagen wir ein effektives Modell vor, das einen Spin-Flop, ein Magnetisierungsplateau etwas unterhalb Msat/2 sowie kleinere Abweichungen vom Plateauverhalten im Hochfeld beschreibt – in Übereinstimmung mit unseren experimentellen Resultaten.
L. Heinze, H. O. Jeschke, I. I. Mazin, A. Metavitsiadis, M. Reehuis, R. Feyerherm, J.-U. Hoffmann, M. Bartkowiak, O. Prokhnenko, A. U. B. Wolter, X. Ding, V. S. Zapf, C. Corvalán Moya, F. Weickert, M. Jaime, K. C. Rule, D. Menzel, R. Valentí, W. Brenig, S. Süllow,
Magnetization Process of Atacamite: A Case of Weakly Coupled S=1/2 Sawtooth Chains,
Phys. Rev. Lett. 126, 207201 (2021) (arXiv)