Techniklexikon

Spin-Peierls-Übergang

Festkörperphysik,
Phasenübergang, bei dem es in einem eindimensional antiferromagnetisch
geordneten, isolierenden Kristall zu einer Dimerisierung (Dimere) des Gitters
und zu einem unmagnetischen Grundzustand kommt. Der Spin-Peierls-Übergang wird
auch als magnetisches Analogon zum Peierls-Übergang bezeichnet. Die möglichen
Anregungen in antiferromagnetisch geordneten Substanzen sind Magnonen, deren Energiedispersion
(unabhängig von der Dimension) durch src="../../images/s2307_spin-peierls-uebergang.gif" v:shapes="_x0000_i2331" alt="Spin-Peierls-Übergang"> style=\'mso-spacerun:yes\'> gegeben ist (Dispersion). Dabei ist src="../../images/s2308_spin-peierls-uebergang.gif" v:shapes="_x0000_i2332" alt="Spin-Peierls-Übergang"> style=\'mso-spacerun:yes\'> der Gitterabstand und src="../../images/s2309_spin-peierls-uebergang.gif" v:shapes="_x0000_i2333" alt="Spin-Peierls-Übergang"> style=\'mso-spacerun:yes\'> der Wellenvektor der antiferromagnetischen
Spinwelle. Der antiferromagnetische Néel-Grundzustand befindet sich bei src="../../images/s2310_spin-peierls-uebergang.gif" v:shapes="_x0000_i2334" alt="Spin-Peierls-Übergang">, src="../../images/s2311_spin-peierls-uebergang.gif" v:shapes="_x0000_i2335" alt="Spin-Peierls-Übergang"> style=\'mso-spacerun:yes\'> und ist mit dem ersten angeregten Zustand der
Spinwelle entartet. In einem eindimensional antiferromagnetisch geordneten
Kristall nähern sich bei einer Dimerisierung des Gitters in Kettenrichtung
jeweils zwei benachbarte Spins einander an, so dass sich lokale Spin-Singuletts
(Singulettzustand) ausbilden. Die niedrigsten angeregten Zustände sind dann ein
Band von Triplettzuständen, die durch eine Energielücke vom Néel-Grundzustand
getrennt sind. Unterhalb der Spin-Peierls-Übergangstemperatur sind die
Spinwellen ausgefroren, da über die Energielücke hinweg keine thermischen
Anregungen möglich sind. Bei src="../../images/s2312_spin-peierls-uebergang.gif" v:shapes="_x0000_i2336" alt="Spin-Peierls-Übergang"> style=\'mso-spacerun:yes\'> ist der Energiegewinn durch die Aufhebung der
Entartung im Magnonenspektrum src="../../images/s2313_spin-peierls-uebergang.gif" v:shapes="_x0000_i2337" alt="Spin-Peierls-Übergang">, wobei src="../../images/s2314_spin-peierls-uebergang.gif" v:shapes="_x0000_i2338" alt="Spin-Peierls-Übergang"> style=\'mso-spacerun:yes\'> die Verschiebung der spintragenden Ionen
bedeutet. Gleichzeitig muss die Verschiebungsenergie src="../../images/s2315_spin-peierls-uebergang.gif" v:shapes="_x0000_i2339" alt="Spin-Peierls-Übergang"> style=\'mso-spacerun:yes\'> aufgebracht werden. Für kleine Verschiebungen src="../../images/s2316_spin-peierls-uebergang.gif" v:shapes="_x0000_i2340" alt="Spin-Peierls-Übergang"> style=\'mso-spacerun:yes\'> ist src="../../images/s2317_spin-peierls-uebergang.gif" v:shapes="_x0000_i2341" alt="Spin-Peierls-Übergang">. Daher tritt
im Idealfall einer unendlich ausgedehnten antiferromagnetischen Kette immer ein
Spin-Peierls-Übergang auf. Experimentell wurde dieser Phasenübergang in einer
Reihe organischer Substanzen (organische Verbindungen) und in dem anorganischen
Material CuGeO₃
beobachtet.