Phase diagrams of two-dimensional frustrated spin systems

Kalz, Ansgar

dc.contributor.advisor	Honecker, Andreas PD Dr.	de
dc.contributor.author	Kalz, Ansgar	de
dc.date.accessioned	2012-04-19T15:57:54Z	de
dc.date.accessioned	2013-01-18T13:43:53Z	de
dc.date.available	2013-01-30T23:51:14Z	de
dc.date.issued	2012-04-19	de
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-000D-F080-B	de
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2966
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2966
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2966
dc.description.abstract	In dieser Arbeit werden die Ordnungsprozesse in klassischen frustrierten Isingmodellen und das Grundzustandsverhalten von frustrierten Quantenspinmodellen untersucht. Im ersten Teil der Arbeit wird der Phasenübergang von einer paramagnetischen Hochtemperaturphase in einen antiferromagnetischen Grundzustand für ein Isingmodell auf dem Quadratgitter analysiert, das konkurrierende antiferromagnetische Wechselwirkungen zwischen nächsten und übernächsten Nachbarspins beinhaltet. Im Falle räumlich isotroper Wechselwirkungen ist der Phasenübergang zu einem kollinearem Zustand von besonderer Bedeutung. Mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen auf endlichen Gittern und feldtheoretischen Methoden für das kontinuierliche Modell wird gezeigt, dass in Abhängigkeit von der Frustration drei Bereiche unterschieden werden können, die (i) Ising-universelles Verhalten, (ii) Ashkin-Teller-artiges nicht-universelles Verhalten (variierende Exponenten) und (iii) nicht-kritisches Verhalten erster Ordnung zeigen. Für räumlich anisotrope Wechselwirkungen wird mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen eine inkommensurable Phase verifiziert , die durch frühere Molekularfeldrechnungen vorhergesagt wurde. Die Natur dieser Phase wird anhand von Spin-Spin-Korrelationsfunktionen untersucht und es wird gezeigt, dass der Ordnungsvektor stark von der Temperatur und der Systemgröße abhängt. Im zweiten Teil der Arbeit wird der Einfluss von Quantenfluktuationen auf klassische antiferromagnetische Grundzustände in anisotropen Quantenspin-1/2-Heisenbergmodellen untersucht, die konkurrierende Wechselwirkungen aufweisen. Unter Benutzung von Quanten-Monte-Carlo-Simulationen, exakter Diagonalisierung und Störungstheorie wird das Grundzustandsphasendiagramm für das Quadratgitter mit nächster und übernächster Nachbarkopplung und das hexagonale Gitter mit bis zu dritt-nächster Nachbarwechselwirkung berechnet, wobei die Fluktuationen als nicht konkurrierend gewählt sind. In beiden Fällen werden die Regionen stabiler magnetischer Phasen identifiziert und es wird eine Zwischenphase gefunden, die keine langreichweitige Spinordnung zeigt. Weitere Berechnung schließen außerdem Valenzbond- und topologische Ordnung aus, d.h. ein ungeordneter Grundzustand ist in diesen quantenmechanischen Modellen stabil.	de
dc.format.mimetype	application/pdf	de
dc.language.iso	eng	de
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/	de
dc.title	Phase diagrams of two-dimensional frustrated spin systems	de
dc.type	doctoralThesis	de
dc.title.translated	Phasendiagramme für zweidimensionale frustrierte Spinsysteme	de
dc.contributor.referee	Kree, Reiner Prof. Dr.	de
dc.date.examination	2012-03-22	de
dc.subject.dnb	530 Physik	de
dc.subject.gok	RDI 800	de
dc.description.abstracteng	In this work the ordering processes in classical frustrated Ising models and the ground-state behavior of frustrated quantum spin models are investigated. In the first part the phase transition from a high-temperature paramagnetic phase to a antiferromagnetic ground state is analyzed for the square-lattice Ising model with competing antiferromagnetic interactions between nearest- and next-nearest-neighbor spins. In the case of spatially isotropic interactions the phase transition to a collinear state is of special interest. Using Monte-Carlo simulations on finite lattices as well as field-theoretical methods for the continuous model it is shown that depending on the frustration three different sectors can be distinguished that show (i) Ising-universal behavior (ii) Ashkin-Teller-like non-universal behavior (varying critical exponents) and (iii) non-critical first-order behavior. For spatially anisotropic interactions the emergence of an intermediate incommensurate phase is verified by means of Monte-Carlo simulations which has been predicted by earlier mean-field calculations. The nature of this phase is studied analyzing spin-spin correlation functions and its ordering wave-vector reveals a strong temperature and size dependence. In the second part the influence of quantum fluctuations on classical antiferromagnetic ground states are investigated in anisotropic quantum spin-1/2 Heisenberg models with competing interactions. Using quantum Monte-Carlo simulations, exact diagonalization and perturbation theory the ground-state phase diagrams are calculated for a square lattice with nearest- and next-nearest-neighbor interactions and a honeycomb lattice with up to third-nearest-neighbor interactions whereby the fluctuations are chosen to be non-frustrating. For both cases the stability regions of classical magnetic states are identified and an intermediate phase is detected that shows no sign of long-range magnetic order. Further calculations also rule out valence-bond-crystal or topological order for this state, thus a quantum disordered ground state is stabilized in these models.	de
dc.contributor.coReferee	Honecker, Andreas PD Dr.	de
dc.contributor.thirdReferee	Wessel, Stefan Prof. Dr.	de
dc.subject.topic	Physics	de
dc.subject.ger	korreliert	de
dc.subject.ger	magnetisch	de
dc.subject.ger	zweidimensional	de
dc.subject.ger	frustriert	de
dc.subject.ger	Spinmodell	de
dc.subject.ger	Phasenübergang	de
dc.subject.ger	Grundzustand	de
dc.subject.ger	Isingmodell	de
dc.subject.ger	Heisenbergmodell	de
dc.subject.ger	Quantenfluktuation	de
dc.subject.ger	Quadratgitter	de
dc.subject.ger	Honeycombgitter	de
dc.subject.eng	correlated	de
dc.subject.eng	magnetic	de
dc.subject.eng	two-dimensional	de
dc.subject.eng	frustrated	de
dc.subject.eng	spin model	de
dc.subject.eng	Ising	de
dc.subject.eng	Heisenberg	de
dc.subject.eng	ground state	de
dc.subject.eng	phase transition	de
dc.subject.eng	quantum fluctuations	de
dc.subject.eng	square lattice	de
dc.subject.eng	honeycomb lattice	de
dc.subject.bk	33.10	de
dc.subject.bk	33.23	de
dc.subject.bk	33.61	de
dc.subject.bk	33.64	de
dc.identifier.urn	urn:nbn:de:gbv:7-webdoc-3472-1	de
dc.identifier.purl	webdoc-3472	de
dc.affiliation.institute	Fakultät für Physik	de
dc.identifier.ppn	726683434	de

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