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  gegeben ist (Dispersion). Dabei ist  der Gitterabstand und  der Wellenvektor der antiferromagnetischen Spinwelle. Der antiferromagnetische Néel-Grundzustand befindet sich bei ,  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  ist der Energiegewinn durch die Aufhebung der Entartung im Magnonenspektrum , wobei  die Verschiebung der spintragenden Ionen bedeutet. Gleichzeitig muss die Verschiebungsenergie  aufgebracht werden. Für kleine Verschiebungen  ist . 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.