Quasiparticle decay induced by spin anisotropies in the frustrated spin ladder system BiCu2PO6
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Date
2021
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Abstract
The inorganic compound BiCu2PO6 contains tubelike structures, which are described magnetically by weakly coupled frustrated spin ladders with a finite energy gap.
The elementary excitations are triplons of which the degeneracy is lifted due to Dzyaloshinskii-Moriya interactions. In certain regions of the Brillouin zone the lifetime
of the triplon excitation modes becomes finite due to the hybridization of the single-triplon with the two-triplon states. In addition, the dispersions of these triplon modes
show a striking down-bending before ceasing to exist. In experiment, BiCu2PO6 shows various types of decay processes, which can be caused by different symmetry breaking
interactions. In previous studies, we established a minimal model to include all symmetry-allowed interactions, such as the Dzyaloshinskii-Moriya interaction. Based on this
minimal model, we show in this thesis that isotropic and anisotropic effects are responsible for noticeable quasiparticle decay and certain down-shifts of the single-triplon
energies. The analyses are based on a deepCUT approach for the isotropic case augmented by a perturbative treatment of the anisotropic couplings inducing quasiparticle decay at
zero temperature.
Die anorganische Verbindung BiCu2PO6 enthält röhrenartige Strukturen, welche magnetisch durch schwach gekoppelte frustrierte Spinleitern mit einer endlichen Energielücke beschrieben werden. Die elementaren Anregungen sind Triplonen dessen Entartung aufgrund der Dzyaloshinskii-Moriya Wechselwirkungen aufgehoben ist. In bestimmten Bereichen der Brillouin Zone wird die Lebensdauer der Triplonen endlich aufgrund der Hybridisierung der Eintriplon- mit den Zweitriplonenzuständen. Zusätzlich zeigen diese Triplonmoden ein auffälliges Abknicken bevor sie aufhören zu existieren. Im Experiment weist BiCu2PO6 unterschiedliche Typen von Zerfallsprozessen auf, die durch verschiedene symmetriebrechende Wechselwirkungen verursacht sein könnten. In vorherigen Untersuchungen habe wir ein minimales Model aufgestellt, um alle aufgrund von Symmetrie erlaubten Wechselwirkungen, wie die Dzyaloshinskii-Moriya Wechselwirkung, zu berücksichtigen. Auf Grundlage dieses minimalen Models zeigen wir in dieser Arbeit, dass isotrope und anisotrope Effekte für erkennbaren Quasiteilchenzerfall und bestimmte Absenkungen der Eintriplonenenergien verantwortlich sind. Die Analysen basieren auf einem deepCUT Ansatz für den isotropen Fall, ergänzt durch eine störungstheoretische Behandlung der anisotropen Kopplungen, die Quasiteilchenzerfall bei Temperatur gleich Null induzieren.
Die anorganische Verbindung BiCu2PO6 enthält röhrenartige Strukturen, welche magnetisch durch schwach gekoppelte frustrierte Spinleitern mit einer endlichen Energielücke beschrieben werden. Die elementaren Anregungen sind Triplonen dessen Entartung aufgrund der Dzyaloshinskii-Moriya Wechselwirkungen aufgehoben ist. In bestimmten Bereichen der Brillouin Zone wird die Lebensdauer der Triplonen endlich aufgrund der Hybridisierung der Eintriplon- mit den Zweitriplonenzuständen. Zusätzlich zeigen diese Triplonmoden ein auffälliges Abknicken bevor sie aufhören zu existieren. Im Experiment weist BiCu2PO6 unterschiedliche Typen von Zerfallsprozessen auf, die durch verschiedene symmetriebrechende Wechselwirkungen verursacht sein könnten. In vorherigen Untersuchungen habe wir ein minimales Model aufgestellt, um alle aufgrund von Symmetrie erlaubten Wechselwirkungen, wie die Dzyaloshinskii-Moriya Wechselwirkung, zu berücksichtigen. Auf Grundlage dieses minimalen Models zeigen wir in dieser Arbeit, dass isotrope und anisotrope Effekte für erkennbaren Quasiteilchenzerfall und bestimmte Absenkungen der Eintriplonenenergien verantwortlich sind. Die Analysen basieren auf einem deepCUT Ansatz für den isotropen Fall, ergänzt durch eine störungstheoretische Behandlung der anisotropen Kopplungen, die Quasiteilchenzerfall bei Temperatur gleich Null induzieren.
Description
Table of contents
Keywords
Quantenantiferromagnetismus, Quasiteilchenzerfall, Dzyaloshinskii-Moriya Wechselwirkung, BCPO, Spinanisotropie